JP2020156205A - 静電誘導型変換器および静電誘導型変換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電誘導型変換器のエネルギー変換効率を向上させること。【解決手段】静電誘導型変換器は、基板（３）と、前記基板上に設けられるとともに少なくとも一部が電荷を帯びた帯電材料膜（３１）と、前記基板から垂直に延びるように取り付けられる支持軸（４）と、前記帯電材料膜に対向して配置される複数の対向電極と、を含む。前記帯電材料膜は、前記支持軸のまわりに環状領域（３１ａ）と、該環状部から径方向外側に延び周方向に並ぶ複数の駆動領域（３１ｂ）と、を有し、前記帯電材料膜の前記環状領域は、前記複数の駆動領域より帯電される電荷の密度が低い。【選択図】図２

Description

本発明は、静電誘導型変換器および静電誘導型変換器の製造方法に関する。

帯電されたエレクトレット基板により生じる静電誘導を用いた発電器およびモーターが知られている。発電器やモーターのような静電誘導型変換器では、エレクトレット基板の上の帯電材料に帯電させ、その帯電された電荷により生じる静電誘導を用いて電気エネルギーを運動エネルギーへ、または運動エネルギーを電気エネルギーへ変換する。

特許文献１には、音を信号に変換するコンデンサマイクロフォンにおいて、エレクトレット板の一部を帯電させることが開示されている。

特開２００６−１４０８６１号公報

エレクトレットを用いた静電誘導型変換器については、効率を向上させることが難しかった。特に、単に形状および素材に起因する摩擦だけでなく、静電引力に起因する効率の低下が無視できなかった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、エネルギー変換効率を向上させた静電誘導型変換器およびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本出願において開示される発明は種々の形態を有している。それらの形態の代表的なものの概要は以下の通りである。

（１）基板と、前記基板上に設けられるとともに少なくとも一部が電荷を帯びた帯電材料膜と、前記基板から垂直に延びるように取り付けられる支持軸と、前記帯電材料膜に対向して配置される複数の対向電極と、を含み、前記帯電材料膜は、前記支持軸のまわりに環状領域と、該環状領域から径方向外側に延び周方向に並ぶ複数の駆動領域と、を有し、前記帯電材料膜の前記環状領域は、前記複数の駆動領域より帯電される電荷の密度が低い、静電誘導型変換器。

（２）（１）において、前記基板は前記支持軸を中心に回転可能であり、前記複数の対向電極は、対向基板上の領域であって前記環状領域に対向する領域から径方向外側に延び周方向に並ぶように配置され、平面視で前記複数の対向電極の前記延伸部のそれぞれと前記帯電材料膜の駆動領域とが重畳する領域の面積は、前記基板の回転位置に応じて変化する、静電誘導型変換器。

（３）（２）において、前記帯電材料膜の前記環状領域の半径は、前記複数の対向電極のいずれかと前記支持軸の中心との距離の０．８倍以上１．２倍以下である、静電誘導型変換器。

（４）（１）から（３）のいずれかにおいて、前記帯電材料膜は、平面視で前記環状領域の外側かつ前記複数の駆動領域のうち隣り合う２つの駆動領域の間に、切り欠きを有する、静電誘導型変換器。

（５）（１）から（３）のいずれかにおいて、前記帯電材料膜は平面視で前記複数の駆動領域のうち隣り合う２つの駆動領域の間に接続部を有し、前記接続部は、前記帯電材料膜の前記複数の駆動領域よりも帯電する電荷の密度が小さい、静電誘導型変換器。

（６）（１）から（５）のいずれかにおいて、前記帯電材料膜は、前記基板の第１の面に設けられる第１の帯電材料膜と、前記基板の第２の面に設けられる第２の帯電材料膜とを含み、前記複数の対向電極は、前記第１の帯電材料膜に対向する複数の第１の対向電極と、前記第２の帯電材料膜に対向する複数の第２の対向電極とを含む、静電誘導型変換器。

（７）基板を用意する工程と、前記基板上に帯電材料膜を形成する工程と、前記帯電材料膜の一部を覆いかつ前記帯電材料膜のうち前記基板の中央の環状の領域に接するマスクを設ける工程と、前記マスクおよび前記帯電材料膜に向けて電荷を放出し前記帯電材料膜を帯電させる工程と、前記帯電材料膜を帯電させる工程の後に前記マスクを除去する工程と、を含む静電誘導型変換器の製造方法。

（８）（７）において、前記マスクは、樹脂層と、前記樹脂層と前記基板との間に配置される金属層とを含む、静電誘導型変換器の製造方法。

（９）（７）または（８）において、前記基板に支持軸が取り付けられる工程をさらに含み、前記マスクは、前記支持軸が取り付けられた後に設けられ、平面視で前記支持軸を囲む環状の形状を有する、静電誘導型変換器の製造方法。

（１０）（９）において、前記マスクは、平面視で前記支持軸からみて外側に延びる複数の延伸部をさらに含む、静電誘導型変換器の製造方法。

（１１）（７）から（１０）のいずれかにおいて、前記基板上に形成される帯電材料膜は、前記基板の第１の面に設けられる第１の帯電材料膜と、前記基板の第２の面に設けられる第２の帯電材料膜とを含み、前記マスクは、前記第１の帯電材料膜の一部を覆い前記第１の帯電材料膜に接する第１のマスクと、前記第２の帯電材料膜の一部を覆い前記第２の帯電材料膜に接する第２のマスクとを含む、静電誘導型変換器の製造方法。

本発明によれば、静電誘導型変換器のエネルギー変換効率を向上させることができる。

本実施形態に係る静電誘導型変換器の概略斜視図である。 静電誘導型変換器が備えるエレクトレット基板の一例を示す平面図である。 エレクトレット基板及び回転軸の概略端面図である。 対向基板の一例を示す平面図である。 静電誘導型変換器が発電器として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。 静電誘導型変換器が電動機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。 環状部が帯電していない場合の損失を概略的に説明する図である。 環状部３１ａが帯電する従来の場合の損失を概略的に説明する図である。 エレクトレット基板の製造工程を説明する図である。 エレクトレット基板およびマスクの一例を示す平面図である。 マスクの他の一例を示す断面図である。 本実施形態の第１の変形例におけるエレクトレット基板およびマスクを示す平面図である。 本実施形態に係る静電誘導型変換器を腕時計に組み込んだ例を示す図である。 本実施形態の第２の変形例を説明する図である。 第２の変形例におけるエレクトレット基板の製造工程を説明する図である。

以下では、本発明の実施形態について図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る静電誘導型変換器１００の概略斜視図である。ここで、静電誘導型変換器とは、静電誘導を用いて、運動エネルギーと電気エネルギーとを相互に変換する機器を意味しており、発電器又は電動機を指している。その原理は後述するが、静電誘導型変換器１００に外力を作用させ、運動エネルギーを与えるとそのエネルギーを電気エネルギーに変換して取り出すことができる。この静電誘導型変換器１００はすなわち発電器である。また、静電誘導型変換器１００に電気エネルギーを与えると、そのエネルギーを運動エネルギーとして取り出すことができる。この静電誘導型変換器１００はすなわち電動機である。

図１は、機械的な回転運動を電気エネルギーに変え、又は電気エネルギーを機械的な回転運動として取り出す静電誘導型変換器１００の例を示す。以下、本例の静電誘導型変換器１００の基本的な構造を説明する。

静電誘導型変換器１００は、主要な部品として、対向基板１と、対向基板１と所定の間隔を空けて挟まれるように配置されるエレクトレット基板３と、支持軸である回転軸４と、を有する。対向基板１は、エレクトレット基板３の図中下側の面と対向する。対向基板１のエレクトレット基板３側の面には、周方向に並ぶ複数の対向電極１１ｂ，１２ｂが設けられている。なお、複数の対向電極１１ｂのそれぞれは対向電極１２ｂのいずれかと隣り合うように配置され、複数の対向電極１２ｂのそれぞれは対向電極１１ｂのいずれかと隣り合うように配置される。また、回転軸４は、エレクトレット基板３から垂直に延びるように取り付けられている。より具体的には、回転軸４は、対向基板１およびエレクトレット基板３の中央を貫くように設けられている。回転軸４にはカナ５が取り付けられている。

対向基板１およびエレクトレット基板３は、その部材が全体としておおむね平坦な円板形状を有する。ここでは、円板形状において、その面内に、図１のエレクトレット基板３に示されるように外周部に切り欠きが設けられてよい。また、開口が設けられてもよく、凸部その他の加工が施されてもよい。

図２は、本実施形態に係る静電誘導型変換器１００が備えるエレクトレット基板３の一例を示す平面図である。図３は、エレクトレット基板３および回転軸４の概略端面図である。エレクトレット基板３は、平面視で、回転軸４のまわりに配置される中央部３ａと、中央部３ａから径方向外側に延びる複数の突出部３ｂとを含む。複数の突出部３ｂのうち隣り合う突出部３ｂの間には、切り欠き３ｃが存在する。切り欠き３ｃは、隣り合う突出部３ｂの端部と中央部３ａの周縁を構成する弧とに面している。エレクトレット基板３は導電性のある材質であり、回転軸４と導通している。

図３は、エレクトレット基板３の中心と、縁部とを通る面で切り取った端面を示している。説明の容易のため、図３では、図中左側が突出部３ｂを通る面における端面であり、図中右側が切り欠き３ｃを通る面における端面としている。

図３に示すように、エレクトレット基板３は図中下側の第１の面３３ａと、図中上側の第２の面３３ｂとを有する。帯電材料膜であるエレクトレット材料膜３１は、エレクトレット基板３の第１の面３３ａに設けられる。エレクトレット材料膜３１は、エレクトレット基板３のうち切り欠き３ｃがない領域に設けられている。

エレクトレット材料膜３１の環状部３１ａ、延伸部３１ｂは、それぞれエレクトレット基板３の中央部３ａ、突出部３ｂ上に設けられる領域である。環状部３１ａは、回転軸４のまわりの環状領域であり、延伸部３１ｂは、環状領域から径方向外側に延び周方向に並ぶ複数の領域であり、帯電される電荷が電気エネルギーと運動エネルギーとの間の変換に寄与し、静電誘導型変換器１００の駆動に寄与する駆動領域である。

本実施形態においては、延伸部３１ｂは、所定の帯電状態となるように形成されている。延伸部３１ｂは、共に正電荷または負電荷を持つように帯電している。また、エレクトレット材料膜３１の環状部３１ａは、環状部３１ａの径方向外側にあるエレクトレット材料膜３１の部分である延伸部３１ｂより帯電される電荷の密度が低い。ここで、環状部３１ａは延伸部３１ｂより電荷の密度が低いとは、環状部３１ａの表面に帯電される正電荷または負電荷の密度が延伸部３１ｂより低い状態と、延伸部３１ｂが帯電し環状部３１ａが帯電しない（電荷の密度が０であり中性である）状態との双方を指している。なお、以下では、延伸部３１ｂが負電荷を帯電している例について主に説明する。

対向基板１および対向基板１上に設けられる金属の対向電極１１ｂ，１２ｂは、エレクトレット基板３の第１の面３３ａに設けられるエレクトレット材料膜３１に対向するように配置される。対向基板１は、図示されないハウジングなどに固定されてよい。

回転軸４は、エレクトレット基板３の軸孔３ｄに挿通されている。また、回転軸４は、エレクトレット基板３の回転運動を許容するように、図示されない適宜のハウジングなどに形成される支持部に、その両端が支持されている。この回転軸４の回転に伴ってエレクトレット基板３が回転するように、回転軸４はエレクトレット基板３に支持されると共に固定されている。回転軸４の延伸する方向において、エレクトレット基板３に対する対向基板１および対向電極１１ｂ，１２ｂの距離は一定に保持されている。

回転軸４に取り付けられているカナ５は、外部の歯車等とかみ合うように構成されている。カナ５と噛み合う図示しない歯車等を含む駆動機構は、このカナ５を介して静電誘導型変換器１００に運動エネルギーを与え、又は静電誘導型変換器１００から運動エネルギーを取り出すことができるよう構成されている。本実施形態では、静電誘導型変換器１００は発電器であり、カナ５と噛み合う歯車を介して設けられた懸垂錘の回転が回転軸４に入力されるようになっている。

図４は、対向基板１の一例を示す平面図である。対向基板１は、平面視で、回転軸４のまわりに配置される環状部１ａを有し、複数の対向電極１１ｂ，１２ｂは、環状部１ａの径方向外側の端から径方向外側に延び、周方向に並んでいる。環状部１ａは対向基板１の中央に位置し環状部３１ａに対向する。ここで、対向基板１のうち環状部１ａの外側の部分を外側環状部と記載すると、対向基板１上の外側環状部には、対向電極１１ｂと対向電極１２ｂとが周方向に交互に並ぶように設けられている。隣り合う対向電極１１ｂの間に１つの対向電極１２ｂが配置され、隣り合う対向電極１２ｂの間に１つの対向電極１１ｂが配置されている。

対向基板１は透明でない樹脂基板であるが、透明基板であってもよい。その透明基板の表面に、対向電極１２ｂ，１２ｂとして透明導電膜を形成してもよい。

本実施形態に係る静電誘導型変換器１００は、例えば、腕時計内に組み込まれる小型軽量の発電器として使用できる。あるいは、静電誘導型変換器１００は、屋外センサーや小型照明用の発電器として、振動その他の外部の運動により発電し電力を供給してもよく、その他の用途に用いられてもよい。

図５は、静電誘導型変換器１００が発電器として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。図５に示すように、エレクトレット基板３と対向基板１上の対向電極１１ｂ，１２ｂとは、所定の間隔を空けて平行となるように対向して配置されている。

また、上述のように、対向基板１の上には対向電極１１ｂと対向電極１２ｂとが周方向に交互に配置される。複数の対向電極１１ｂは整流回路６の２つの入力のうち一方に接続されており、複数の対向電極１２ｂは、整流回路６の２つの入力のうち他方に接続されている。エレクトレット基板３の上には、エレクトレット材料膜３１の延伸部３１ｂが設けられる領域と設けられない領域とが周方向に交互に配置される。

平面視で対向基板１の対向電極１１ｂまたは対向電極１２ｂとエレクトレット材料膜３１の延伸部３１ｂとが重畳する面積は、エレクトレット基板３の回転位置に応じて変化する。これにより、対向電極１１ｂ，１２ｂに蓄積される電荷が変化することを利用して電気エネルギーが取り出される。以下ではより具体的に説明する。

対向電極１１ｂが延伸部３１ｂに正対している状態では、延伸部３１ｂの表面電荷に誘導されて対向電極１１ｂに反対極性の電荷が蓄積される（本実施形態においては、正電荷が対向電極１１ｂに蓄積される）。その後、エレクトレット基板３が移動し、延伸部３１ｂが対向電極１１ｂに正対しない状態へ向かうと、対向電極１１ｂに誘導され蓄積された電荷が掃き出される。対向電極１２ｂも、同様に延伸部３１ｂに正対する場合（図５の例では対向電極１１ｂは正対しない）には反対極性の電荷が蓄積され、延伸部３１ｂに正対しない状態に向かうと、電荷が掃き出される。蓄積され掃き出される電荷を整流回路６が整流することにより電気エネルギーが取り出される。

図６は、静電誘導型変換器１００が電動機として用いられる際の作動原理を説明する概略回路図である。この場合、図５の例と異なり、対向基板１上の複数の対向電極１１ｂおよび複数の対向電極１２ｂは、それぞれスイッチ回路７の第１の出力および第２の出力に接続されている。図６の例においても、対向電極１１ｂ，１２ｂのそれぞれと延伸部３１ｂとが重畳する面積がエレクトレット基板３の回転位置に応じて変化することを利用して電気エネルギーを運動エネルギーに変換する。

対向電極１１ｂおよび対向電極１２ｂには、それぞれ、スイッチ回路７により、適宜、延伸部３１ｂの帯電状態の逆電荷が印可される。例えば、対向電極１１ｂと対向電極１２ｂのいずれか片方に延伸部３１ｂの帯電状態の逆電荷を印可すると、静電気力により、延伸部３１ｂが、対向電極１１ｂ、１２ｂのうち逆電荷が印可された方に正対するようエレクトレット基板３が運動する。スイッチ回路７が、対向電極１１ｂと対向電極１２ｂとに員さする電圧をタイミングよく切り替えることにより、エレクトレット基板３に所望の回転動作をさせることができる。

ここで、エレクトレット材料膜３１は、帯電しやすい材料からなる。例えば、負電荷に帯電しやすい材料は、酸化珪素やフッ素樹脂等である。かかる材料の具体的な一例として、旭硝子株式会社製のフッ素樹脂であるＣＹＴＯＰ（登録商標）が挙げられる。さらに、エレクトレット材料膜の材料は、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリビニルクロライド、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニルデンジフルオライド、ポリビニルフルオライド等の高分子材料や、前述の酸化珪素、窒化珪素、酸化窒化珪素等の無機材料であってよい。

もちろん、以上説明した静電誘導型変換器１００を発電器あるいは電動機として使用するための回路構成は一例であり、各種部材の配置を含め、他の構成を採用してもよい。

図２に示されるエレクトレット基板３を用いた静電誘導型変換器１００では、電気エネルギーと運動エネルギーとの変換のために延伸部３１ｂは帯電しているが、その変換に寄与しない環状部３１ａは帯電していない。これにより、静電引力に起因する損失を低減することができる。

損失の低減のメカニズムの一例について説明する。図７は環状部３１ａが帯電していない場合の損失を説明する図であり、図８は環状部３１ａが帯電する従来の場合の損失を説明する図である。回転軸４は、ルビーなどの耐摩耗性の高い材質でできた軸受５３ａ，５３ｂにより保持されている。また、軸受５３ａ，５３ｂは、エレクトレット基板３および対向基板１に対向する金属板５５ａ，５５ｂにより保持されている。

環状部３１ａが帯電していない場合は、延伸部３１ｂと対向基板１との間に静電引力５１ａが生じ（図７参照）、環状部３１ａが帯電している場合は、静電引力５１ａだけでなく、対向基板１がかなり薄い場合には、環状部３１ａと金属板５５ａとの間に静電引力５１ｂが生じる（図８参照）。環状部３１ａが帯電する場合は、静電引力５１ｂにより、軸受５３ａの摩擦が増大し、回転抵抗がより大きくなる。したがって、環状部３１ａの帯電を抑えることで、静電引力に起因する回転軸４の回転抵抗を抑え、損失を抑えることができる。

ここで、帯電する電荷の密度が低い環状部３１ａの径方向外側の端は、対向電極１１ｂ，１２ｂの径方向内側の端にできる限り近い方が効率がよい。環状部３１ａの半径が、対向電極１１ｂ，１２ｂ内端の半径より大きい場合、対向電極１１ｂ，１２ｂの一部が環状部３１ａと常に重なる。すると、切り欠き３ｃ、突出部３ｂと対向電極１１ｂ，１２ｂとの重なりの変化が小さくなるため、静電誘導型変換器１００の変換効率（発電量、モータ動力）が低下する。一方、環状部３１ａの半径が、対向電極１１ｂ，１２ｂ内端の半径より小さい場合、静電誘導型変換器１００の静電引力５１ｂにより、軸受５３ａの摩擦が増大し、回転抵抗がより大きくなる。このため、実装上は、環状部３１ａの半径が、対向電極１１ｂ，１２ｂと回転軸４の中心の距離の０．８倍から１．２倍であれば十分に効果を得ることができる。

次に、このエレクトレット基板３の製造工程を説明する。図９は、エレクトレット基板３の製造工程を説明する図である。まず、導電基板であるエレクトレット基板３を用意し、その第１の面３３ａにエレクトレット材料膜３１を設ける（図９（ａ））。エレクトレット基板３の材質は、導電性を有し、生じる静電気力に対して十分な剛性を持つものであれば特に限定はないが、本実施形態では金属であり、特に、アルミニウムを使用している。なお、エレクトレット基板３に導電性を要求するのは、後述するエレクトレット材料膜３１への帯電工程において接地するためである。エレクトレット基板３は、静電誘導型変換器１００に組み込む際に接地される構成としてもよく、整流回路に接続される構成としてもよい。

エレクトレット材料膜３１の形成方法は、その材料に応じて選択してよく、特に限定はされないが、エレクトレット基板３の両面全面に製膜する方法が簡便であるため、採用に適している。そのような方法としては、例えば、エレクトレット材料が液体でありいわゆるウェットプロセスが使用できるのであれば、ディップコート、スピンコート、カーテンフローコート、スプレーコート、グラビアコートなど適宜のコーティング方法によってよい。その他の方法としては、スパッタリングやイオンプレーティング等のＰＶＤ、あるいはＣＶＤ、などの蒸着や、エレクトレット材料のフィルムをエレクトレット基板３に貼付する方法などによってよい。

その後、プレスによる打ち抜き加工により、エレクトレット基板３を所望の形状に加工する（図９（ｂ））。この時、エレクトレット基板３の中心には、回転軸４が挿通される軸孔３ｄと、エレクトレット基板３の中心から径方向外側に延び周方向に並ぶ略扇形状の複数の切り欠き３ｃとが同時に形成されるとよい。ただし、それに限られるものではなく、複数の切り欠き３ｃと、軸孔３ｄとは、打ち抜き加工により順次形成されるものであってもよい。

さらに、回転軸４がエレクトレット基板３に取り付けられる（図９（ｃ））。さらに、環状のマスク４１がエレクトレット材料膜３１に接するように設けられる（図９（ｄ））。

図１０は、エレクトレット基板３およびマスク４１の一例を示す平面図である。マスク４１は環状であり、エレクトレット基板３の中心の環状の領域に配置される。図１０の例ではマスク４１の半径はエレクトレット材料膜３１の環状部３１ａの半径とほぼ等しい。マスク４１は、例えばポリオキシメチレン樹脂（ＰＯＭ材）の膜であり、自ら帯電することでエレクトレット材料膜３１の帯電を妨げる。マスク４１の材料は、エレクトレット材料膜３１として利用可能な材料のうちいずれかであってよい。

マスク４１が設けられると、エレクトレット基板３を接地し、エレクトレット材料膜３１に帯電処理を行い、エレクトレット材料膜３１の一部を帯電させる（図９（ｅ））。この帯電処理も特に限定はないが、ここでは、コロナ放電処理を用いている。これにより、エレクトレット材料膜３１の複数の延伸部３１ｂはそれぞれ同電位に帯電する。図９（ｅ）には、コロナ放電電極３５と、コロナ放電により電荷が付与される様子が模式的に示されている。

エレクトレット材料膜３１の帯電の工程が終了すると、マスク４１は除去され、エレクトレット基板３が完成する。そして、マスク４１が除去されたエレクトレット基板３は、さらに、エレクトレット材料膜３１が適宜のハウジングに固定的に設けられた対向基板１に対向ように、面内方向の運動を許容するよう組み立てられる。その他、適切な回路等を配線・接続するなどの工程を経て、静電誘導型変換器１００が作成される。

以上の工程によりエレクトレット基板３と、エレクトレット基板３が組み込まれた静電誘導型変換器１００が作成される。

マスク４１は、樹脂の単一層でなくてもよい。図１１は、マスク４１の他の一例を示す断面図である。図１１の例では、マスク４１はエレクトレット材料膜３１上に設けられる金属層４１ａと、金属層４１ａの上に設けられる樹脂層４１ｂとを含む。樹脂層４１ｂは、ＰＯＭ材のような、帯電性を有する樹脂の膜であってよい。下側にある金属層４１ａにより、帯電処理においてマスク４１の下のエレクトレット材料膜３１が帯電することをより確実に防ぐことができ、かつ樹脂層４１ｂにより、金属層４１ａが必要以上に多くの電荷を吸収することを防ぎ、延伸部３１ｂに確実に帯電させることが可能になる。

エレクトレット基板３および製造に用いられるマスク４１の形状は、これまでに説明されたものに限られない。図１２は、本実施形態の第１の変形例におけるエレクトレット基板３およびマスク４１を示す平面図である。図１２の例ではエレクトレット基板３の上にエレクトレット材料膜３１が設けられ、そのエレクトレット材料膜３１の上にマスク４１が設けられている。

第１の変形例では、エレクトレット基板３とエレクトレット材料膜３１との平面形状は円板であり、マスク４１は、環状遮蔽部４１ｃと、複数の延伸部である延伸遮蔽部４１ｄと、複数の接続遮蔽部４１ｅとを含む。環状遮蔽部４１ｃは、回転軸４のまわりに設けられる環状の部分である。延伸遮蔽部４１ｄのそれぞれは、環状遮蔽部４１ｃから径方向外側に延びる。接続遮蔽部４１ｅは、隣り合う延伸遮蔽部４１ｄの径方向外側の端を接続するように設けられる。

図１２に示されるマスク４１が設けられたエレクトレット基板３に対して帯電の工程が行われると、エレクトレット材料膜３１のうち、平面視で環状遮蔽部４１ｃに覆われる部分である環状部３１ａに帯電する電荷の密度は、平面視で隣り合う延伸遮蔽部４１ｄの間にあるマスク４１に覆われない部分である延伸部３１ｂに帯電する電荷の密度より小さくなる。また、エレクトレット材料膜３１のうち延伸遮蔽部４１ｄに覆われる部分である接続部３１ｄに帯電する電荷の密度は、延伸部３１ｂに帯電する電荷の密度より小さくなる。マスク４１を用いることにより、エレクトレット基板３に切り欠き３ｃや開口を設けなくても、必要な機能を得ることができ、延伸部３１ｂなどの帯電部と、延伸遮蔽部４１ｄに覆われた非帯電部の間隔を細密化することが可能となるのに加え、構造の簡素化や工程の削減による製造コストの低下を図ることができる。

図１３は、本実施形態に係る静電誘導型変換器を腕時計に組み込んだ例を示す図である。図１３に示す例においては、機能の異なる２つの静電誘導型発電器が腕時計内に内蔵されている。具体的には、発電器としての静電誘導型変換器２００と、電動機としての静電誘導型変換器３００とを示すが、これらの構成は、上述した静電誘導型変換器１００と同様である。ただし、図１３においては、対向基板１やエレクトレット基板３の図示は省略する。なお、図１３において矢印Ｚ１が示す方向を上方とし、矢印Ｚ２が示す方向を下方とする。

腕時計は、文字板８１と、指針軸８２と、指針軸８２に取り付けられる指針８３と、指針軸８２を回転駆動させる輪列８４とを含む。

また、図１３に示す腕時計においては、文字板８１には視認領域８１ａが形成されている。視認領域８１ａは、貫通孔や透明な部材からなるものであり、腕時計の内部を使用者に視認させるものであるとよい。そして、図１３に示す例においては、平面視において、視認領域８１ａと重なるように、文字板８１の下方に静電誘導型変換器２００を配置した。例えば、エレクトレット基板が、車輪型等、デザイン的に優れた形状をしていれば、使用者は、回転駆動するエレクトレット基板を視認し、腕時計のデザインを楽しむことができる。

図１３に示す例においては、電動機としての静電誘導型変換器３００のカナ５は、指針軸８２を回転駆動させる輪列８４に含まれる歯車と噛み合っている。輪列８４を構成する歯車の一部は、その図を省略して（・・・・）と図示している。そのため、静電誘導型変換器３００に含まれる回転軸４が回転することにより、指針８３が回転することとなる。また、発電器としての静電誘導型変換器２００のカナ５は、振動などによって発生する外部からの動力を回転運動に変換する回転錘９０などの回転動力によって動力が伝達され、回転軸４が回転することにより、発電を行う。

なお、図１３に示す静電誘導型変換器２００と静電誘導型変換器３００は互いに同じ構成であるため、いずれを発電器又は電動機として用いてもよいし、双方を発電器又は電動機として用いてよい。

ここで、エレクトレット基板３の第２の面３３ｂにもエレクトレット材料膜が設けられ、また第２の面３３ｂに対向する対向電極２１ｂ，２２ｂが設けられてもよい。図１４は、本実施形態の第２の変形例を説明する図である。図１４の例では、第２の面３３ｂの上に、エレクトレット材料膜３１と同様の構成を有するエレクトレット材料膜３２が設けられている。エレクトレット材料膜３２は、図示しない環状部３２ａと、複数の延伸部３２ｂと、を含み、複数の延伸部３２ｂは周方向に並んで、環状部３２ａから径方向外側に延びている。環状部３２ａは、延伸部３２ｂより帯電される電荷の密度が低い。対向基板２は、エレクトレット基板３の第２の面３３ｂに設けられるエレクトレット材料膜３２に対向するように配置される。複数の対向電極２１ｂ，２２ｂは、対向基板２の上に配置され、それぞれ対向電極１１ｂ，１２ｂと同様に周方向に交互に並んで配置されている。

図１４は、第２の変形例における、静電誘導型変換器が発電器として用いられる際の作動原理を説明している。図１４の例では、図５の例と異なり、第２の対向基板２の複数の対向電極２１ｂ、２２ｂを、対向電極１１ｂ，１２ｂと位相を異ならせて、周方向に互いに間隔を空けて並ぶように配置している。そして、対向電極２１ｂと対向電極２２ｂは整流回路６２に接続されており、整流回路６，６２のそれぞれから電気エネルギーが取り出される。

図１５は第２の変形例におけるエレクトレット基板３の製造工程を説明する図である。図１５の記載からわかるように、図９，１０におけるマスク４１の代わりに、第１のマスク４１と、第２のマスク４２とが設けられる。第１および第２のマスク４１，４２は、それぞれ第１，第２の帯電材料膜であるエレクトレット材料膜３１，３２の上に設けられている。帯電処理をする工程では、エレクトレット基板３を接地し、それぞれエレクトレット基板３の第１の面３３ａ，第２の面３３ｂに塗布されたエレクトレット材料膜３１、３２のうち延伸部３１ｂ、３２ｂのみを帯電させる。

第２の変形例として示される例では、図７に示される例と異なり、エレクトレット基板３の延伸部３１ｂから対向基板１へ向かう第１の静電引力と、延伸部３２ｂから反対側へ向かう第２の静電引力とが働く。そのため、エレクトレット基板３および回転軸４にかかる軸方向の力は、その第１の静電引力と第２の静電引力との差分に応じた大きさとなる。一方、製造上の理由から、エレクトレット基板３と対向基板１側の金属板５５ａとの間隔を、エレクトレット基板３と対向基板２側の金属板５５ｂとの間隔に一致させることが難しい。またエレクトレット材料膜３１，３２の帯電量を厳密に管理することも困難であり、第１の静電引力と第２の静電引力との差分を０にすることは難しい。したがって、第２の変形例においても、環状部３１ａ，３２ａの帯電を抑えることで、静電引力に起因する回転軸４の回転抵抗を抑え、損失を抑えることができる。

なお、図１４においては、第１の対向電極１と第２の対向電極２が、エレクトレット基板３の周方向についての位相が異なるように固定して配置される例について示したが、これに限られるものではなく、図１に示すように、第１の対向電極１と第２の対向電極２は、エレクトレット基板３の周方向についての位相が同じになるように固定して配置されていてもよい。また、対向電極１２ｂ，２２ｂが配置されず、複数の対向電極１１ｂおよび複数の対向電極２１ｂがそれぞれ整流回路６の第１の入力および第２の入力に接続されてもよい。この場合、複数の対向電極１１ｂと対向電極２１ｂとが対向しないように配置されてよい。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、この実施形態に示した具体的な構成は一例として示したものであり、本発明の技術的範囲はこれに限定されない。当業者は、これら開示された実施形態を適宜変形してもよく、本明細書にて開示される発明の技術的範囲は、そのようになされた変形をも含むものと理解すべきである。

１ 第１の対向電極、１ａ，２ａ 環状部、１ｂ，２ｂ，１１ｂ，１２ｂ，２１ｂ，２２ｂ 延伸部、１ｃ 切り欠き、２ 第２の対向電極、３ エレクトレット基板、３ａ 中央部、３ｂ 突出部、３ｃ 切り欠き、３ｄ 軸孔、４ 回転軸、５ カナ、６，６２ 整流回路、７ スイッチ回路、３１，３２ エレクトレット材料膜、３１ａ，３２ａ 環状部、３１ｂ，３２ｂ 延伸部、３１ｄ 接続部、３３ａ 第１の面、３３ｂ 第２の面、３５ コロナ放電電極、４１，４２ マスク、４１ａ 金属層、４１ｂ 樹脂層、４１ｃ 環状遮蔽部、４１ｄ 延伸遮蔽部、４１ｅ 接続遮蔽部、５１ａ，５１ｂ 静電引力、５３ａ，５３ｂ 軸受、５５ａ，５５ｂ 金属板、１００，２００，３００ 静電誘導型変換器、８１ 文字板、８１ａ 視認領域、８２ 指針軸、８３ 指針、８４ 輪列、９０ 回転錘。

Claims (11)

1. 基板と、
   前記基板上に設けられるとともに少なくとも一部が電荷を帯びた帯電材料膜と、
   前記基板から垂直に延びるように取り付けられる支持軸と、
   前記帯電材料膜に対向して配置される複数の対向電極と、
   を含み、
   前記帯電材料膜は、前記支持軸のまわりに環状領域と、該環状領域から径方向外側に延び周方向に並ぶ複数の駆動領域と、を有し、
   前記帯電材料膜の前記環状領域は、前記複数の駆動領域より帯電される電荷の密度が低い、
   静電誘導型変換器。
2. 請求項１に記載の静電誘導型変換器において、
   前記基板は前記支持軸を中心に回転可能であり、
   前記複数の対向電極は、対向基板上の領域であって前記環状領域に対向する領域から径方向外側に延び周方向に並ぶように配置され、
   平面視で前記複数の対向電極のそれぞれと前記帯電材料膜の駆動領域とが重畳する領域の面積は、前記基板の回転位置に応じて変化する、
   静電誘導型変換器。
3. 請求項２に記載の静電誘導型変換器において、
   前記帯電材料膜の前記環状領域の半径は、前記複数の対向電極のいずれかと前記支持軸の中心との距離の０．８倍以上１．２倍以下である、
   静電誘導型変換器。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器において、
   前記帯電材料膜は、平面視で前記環状領域の外側かつ前記複数の駆動領域のうち隣り合う２つの駆動領域の間に、切り欠きを有する、
   静電誘導型変換器。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器において、
   前記帯電材料膜は平面視で前記複数の駆動領域のうち隣り合う２つの駆動領域の間に接続部を有し、
   前記接続部は、前記帯電材料膜の前記複数の駆動領域よりも帯電する電荷の密度が小さい、
   静電誘導型変換器。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器において、
   前記帯電材料膜は、前記基板の第１の面に設けられる第１の帯電材料膜と、前記基板の第２の面に設けられる第２の帯電材料膜とを含み、
   前記複数の対向電極は、前記第１の帯電材料膜に対向する複数の第１の対向電極と、前記第２の帯電材料膜に対向する複数の第２の対向電極とを含む、
   静電誘導型変換器。
7. 基板を用意する工程と、
   前記基板上に帯電材料膜を形成する工程と、
   前記帯電材料膜の一部を覆いかつ前記帯電材料膜のうち前記基板の中央の領域に接するマスクを設ける工程と、
   前記マスクおよび前記帯電材料膜に向けて電荷を放出し前記帯電材料膜を帯電させる工程と、
   前記帯電材料膜を帯電させる工程の後に前記マスクを除去する工程と、
   を含む静電誘導型変換器の製造方法。
8. 請求項７に記載の静電誘導型変換器の製造方法において、
   前記マスクは、樹脂層と、前記樹脂層と前記基板との間に配置される金属層とを含む、
   静電誘導型変換器の製造方法。
9. 請求項７または８に記載の静電誘導型変換器の製造方法において、
   前記基板に支持軸が取り付けられる工程をさらに含み、
   前記マスクは、前記支持軸が取り付けられた後に設けられ、平面視で前記支持軸を囲む環状の形状を有する、
   静電誘導型変換器の製造方法。
10. 請求項９に記載の静電誘導型変換器の製造方法において、
    前記マスクは、平面視で前記支持軸からみて外側に延びる複数の延伸部をさらに含む、
    静電誘導型変換器の製造方法。
11. 請求項７から１０のいずれか１項に記載の静電誘導型変換器の製造方法において、
    前記基板上に形成される帯電材料膜は、前記基板の第１の面に設けられる第１の帯電材料膜と、前記基板の第２の面に設けられる第２の帯電材料膜とを含み、
    前記マスクは、前記第１の帯電材料膜の一部を覆い前記第１の帯電材料膜に接する第１のマスクと、前記第２の帯電材料膜の一部を覆い前記第２の帯電材料膜に接する第２のマスクとを含む、
    静電誘導型変換器の製造方法。

Images