JP5863705B2 - 静電トランス - Google Patents

Description

本発明は、２組の静電アクチュエータを用いた静電トランスに関するものである。

静電トランスに関連した技術として、ＭＥＭＳ技術により作成された３端子型櫛歯アクチュエータを用いることにより、昇圧回路を構成することが知られている（特許文献１）。特許文献１に記載されている３端子型櫛歯アクチュエータは、第１の櫛歯電極と、前記第１の櫛歯電極と所定の間隔をもって嵌合する第２の櫛歯電極とを有する第１の櫛歯アクチュエータと、第３の櫛歯電極と、前記第３の櫛歯電極と所定の間隔をもって嵌合する第４の櫛歯電極とを有する第２の櫛歯アクチュエータとを備え、前記第２の櫛歯電極および前記第３の櫛歯電極が同じ変位をするよう一体的に形成した３端子型櫛歯アクチュエータのいずれか一つの櫛歯電極から出力を得るものである。

より具体的な技術として、特許文献１には、ＭＥＭＳ技術にて作成された入力側櫛歯静電アクチュエータと、出力側櫛歯静電アクチュエータの２組の静電アクチュエータを備え、これら両静電アクチュエータの可動櫛歯電極を機械的に連結して連動させ、且つ、出力側櫛歯静電アクチュエータに対しては別の直流電圧を印加すること、あるいはエレクトレットにより電界を発生させることが開示されている（特許文献１の［図１］，［図２］参照）。そして２組の静電アクチュエータを高真空中に置き（可動櫛歯電極の真空封止）、入力側静電アクチュエータ側に交流入力を加えると（もしくは、帰還回路を形成して自励振動を発生させると）、入力側静電アクチュエータの振動に伴って出力側静電アクチュエータも振動するので、静電誘導による電荷が誘起され、その結果として、入力電圧以上に昇圧された電圧が得られるものである。ここで得られる出力電圧は交流であるので、後段に設けた回路で整流することにより昇圧された直流電圧が得られる。

上述したことから明らかなように、入力側櫛歯静電アクチュエータの可動櫛歯電極と出力側櫛歯静電アクチュエータの可動櫛歯電極を機械的に連結して連動させた場合には、入力側における可動櫛歯電極の振幅と、出力側における可動櫛歯電極の振幅は同じ大きさとなってしまう。したがって、出力電圧をより高めるためには、入力側に微弱な交流電圧を印加した場合にも可動櫛歯電極を十分に大きく振動させる必要がある。一方、可動櫛歯電極を十分に大きく振動させるためには、バネ定数（特許文献１の図３，段落［００３２］参照）を弱くして回路のＱ値が高くなるように設計し、且つ空気抵抗を抑えるために真空封止することが必要であった。

特開２０１１−０６２０２４号公報

しかしながら、従来から知られているこの種の静電トランスは、ＭＥＭＳ技術にて作成された櫛歯静電アクチュエータを前提としているので、製造工程が複雑になるばかりでなく、製造コストの上昇を招来してしまい、しかも、出力の大きな静電トランスを低コストで製造することは困難であった。

本発明に係る静電トランス（請求項１）は、第１の固定電極と、前記第１の固定電極と
対向する位置に設けた第２の固定電極と、前記第１の固定電極と前記第２の固定電極により挟まれた空間内に、可撓性部材を介して変位自在に支持されている可動電極と、前記可動電極の電極面上に設けた永久帯電膜、または、前記第１の固定電極および前記第２の固定電極にそれぞれ設けた永久帯電膜とを備えた静電トランスであって、前記第１の固定電極と前記可動電極の間に印加する交流入力電圧に応じて前記可動電極の位置を変位させ、前記第２の固定電極に誘起される電荷の変化に対応した交流出力電圧を取り出す際に、前記交流入力電圧と前記交流出力電圧の比を、前記第１の固定電極および前記可動電極とにより構成される入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数と、前記第２の固定電極および前記可動電極とにより構成される出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数の比に基づいて決定する、ことを特徴とするものである。
請求項２に係る静電トランスは、請求項１に記載の静電トランスにおいて、前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面は、前記第１の固定電極と前記可動電極との間の距離を変化させるための平板電極構造、および、前記第１の固定電極と平行に前記可動電極の位置を変位させるための櫛歯状電極構造、のいずれか一方を有することを特徴とする。
請求項３に係る静電トランスは、請求項２に記載の静電トランスにおいて、前記可動電極は、絶縁層と、前記絶縁層における一方の面側に形成された第１の導電層と、前記絶縁層における他方の面側に形成された第２の導電層とを備えており、前記交流入力電圧は、前記第１の固定電極と前記第１の導電層の間に印加され、前記交流出力電圧は、前記第２の固定電極と前記第２の導電層との間から取り出される、ことを特徴とする。
請求項４に係る静電トランスは、請求項２または３に記載の静電トランスにおいて、前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面として、前記第１の固定電極と前記可動電極との間の距離を変化させる平板電極構造を有し、前記第２の固定電極は櫛歯状電極であって、前記可動電極における電極面のうち前記第２の固定電極に対向している側の電極面は、前記第２の固定電極の櫛歯状電極の凹部と所定の間隔をもって嵌合する櫛歯状凸部を有することを特徴とする。
請求項５に係る静電トランスは、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の静電トランスにおいて、前記第１の固定電極と前記可動電極により挟まれている空間内に第１の高誘電率層を配置し、且つ、前記第２の固定電極と前記可動電極により挟まれている空間内に第２の高誘電率層を配置することを特徴とする。
請求項６に係る静電トランスは、請求項２または３に記載の静電トランスにおいて、前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面として、前記第１の固定電極と平行に前記可動電極の位置を変位させるための櫛歯状電極構造を有し、前記第２の固定電極は櫛歯状電極であって、前記可動電極における電極面のうち前記第２の固定電極に対向している側の電極面は、前記第２の固定電極の櫛歯状電極に対向した所定形状の櫛歯状電極を有することを特徴とする。
請求項７に係る静電トランスは、請求項６に記載の静電トランスにおいて、前記第２の固定電極における櫛歯電極のピッチを可変設定することにより、前記交流出力電圧の周波数を可変設定することを特徴とする。

本発明によれば、ＭＥＭＳ技術の利用を必須とすることなく作製できる静電アクチュエータを２組重ね合わせるという単純な構成を備えているので、製造コストの上昇を招来することなく、出力の大きな静電トランスを所望の材料で組み立てることができる。

実施の形態１により製造した静電トランスの平面図および断面図である。 本発明に係る静電トランスの変圧比を説明するための原理図である。 実施の形態１における変形例１の静電トランス平面図および断面図である。 実施の形態１における変形例２の静電トランス平面図および断面図である。 実施の形態１における変形例３の静電トランス平面図および断面図である。 実施の形態１における変形例４の静電トランス平面図および断面図である。 実施の形態２により製造した静電トランスの平面図および断面図である。 実施の形態２における変形例１を説明する図である。 実施の形態３により製造した静電トランスの平面図および断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１により製造した静電トランスの平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。なお、平面図（Ａ）内に描いてある破線は、断面図（Ｂ）に示してある可動電極６と、永久帯電膜であるエレクトレット８および１０と、導電性を有する可撓性部材であるスプリング１６Ａおよび１６Ｂと、絶縁スペーサ１２Ａ，１２Ｂおよび１４Ａ，１４Ｂの位置関係を明示したものである。

図１に示す断面図（Ｂ）から明らかなように、実施の形態１により製造した静電トランスは、平行平板コンデンサにより構成された２組の静電アクチュエータを上下２段に組み合わせたものである。すなわち、入力側固定電極２と、エレクトレット８を電極表面に有する可動電極６とにより、第１の静電アクチュエータ（以下、入力側静電アクチュエータという）が形成されている。

可動電極６は、スプリング１６Ｂを介して、アース端子Ｔ_Ｅに接続されている。このアース端子Ｔ_Ｅと入力端子Ｔ_ＩＮとの間には、交流の入力電圧Ｖ_ＩＮを印加する。また、エレクトレット８には、予めＢＴ処理を施すことにより、第１の荷電量（例えば、２１０Ｖのポテンシャル相当）を帯電させてある。このことにより、後に図２を参照して説明するように、入力側静電アクチュエータは第１の電気機械結合係数Ａを有する。

さらに、出力側固定電極２と、エレクトレット１０を電極表面に有する可動電極６とにより、第２の静電アクチュエータ（以下、出力側静電アクチュエータという）が形成されている。このエレクトレット１０には、予めＢＴ処理を施すことにより、第２の荷電量（例えば、７０Ｖのポテンシャル相当）を帯電させてある。このことにより、後に図２を参照して説明するように、出力側静電アクチュエータは第２の電気機械結合係数Ｂを有する。

なお、後に示す式（６）において説明するように、機械抵抗（ｒ_ｆ）を減らして効率（η）を増加させるために、可動電極６およびエレクトレット８，１０から成る可動部を真空封止しておくのが好適である。また、可動部（＝可動電極６＋エレクトレット８，１０）の機械・電気的共振周波数を、交流入力電圧Ｖ_ＩＮの周波数と一致させておくことが好適である。

交流入力電圧Ｖ_ＩＮの印加に応答して可動電極６はＺ軸方向に振動し、出力側静電アクチュエータの出力側固定電極４には、静電誘導現象によって電荷が誘起される。出力側固定電極４に誘起された電荷に基づく出力電圧を得るために、出力端子Ｔ_ＯＵＴとアース端子Ｔ_Ｅとの間に負荷抵抗Ｒ_Ｌを接続しておく。そして、出力端子Ｔ_ＯＵＴをボルテージフォロアＡ_ｍｐの入力端に接続し、ボルテージフォロアＡ_ｍｐの出力端から交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴを得る。後に図２を参照して説明するように、変圧比であるＶ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮは、「入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ａ」÷「出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ｂ」により決定される。なお、通常ボルテージフォロアは出力する電圧の振幅以上の外部電源を必要とするため、昇圧を目的とする回路では利用できない。図１のようにボルテージフォロアを用いる構成は、外部電源を準備可能な実験環境にて出力インピーダンスを変換する場合のものであり、実用的には利用しないか、もしくは別の外部電源を要しない回路を用いる。これは他の図面におけるボルテージフォロアにおいても同様である。

以上述べた静電トランスは、ＭＥＭＳ技術を用いることなく、通常のアセンブリ技術により製造することができる。換言すると、導体（または半導体層）を有する入力側固定電極２と、導体（または半導体層）を有する出力側固定電極４と、図１（Ｂ）の上下方向（＝Ｚ軸方向）に変位するスプリング１６Ａ，１６Ｂによって支持される導体（または半導体層）を有するエレクトレット付き可動電極６とを、絶縁スペーサ１２Ａ，１２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを介して積み重ねることにより、平行平板型静電アクチュエータを２組備えた静電トランスを構成することができる。

入力側固定電極２と出力側固定電極４と可動電極６は、全体が導体（または半導体）である必要はなく、絶縁素材に皮膜を蒸着するという形で導体（または半導体）層を有していてもよい。また、図１においては、可動電極６の表面にエレクトレット８，１０が形成されているが、これらエレクトレット８，１０の替わりに、入力側固定電極２および出力側固定電極４の各表面上にエレクトレット（図示せず）を形成してもよい。さらに、可動電極６を薄膜状のスプリング（図示せず）により構成してもよい。

また、図中には記載していないが、エレクトレットの電荷を保護するために、その表面に疎水膜あるいは窒化シリコン膜のような絶縁性の保護膜を有していることが望ましい。

図１に示した静電トランスは、ＭＥＭＳ技術により形成した一体構造ではなく、アセンブリにより構成したものであることから、全体として大型の形状にならざるを得ないが、逆に、そのぶんだけ扱える電力を大きくすることができる。例えば、市販されているエレクトレット用樹脂を利用し、アセンブリの前に一括で形成することができる。さらに、ローコストな素材を利用できるだけでなく、耐久性が高く、より振幅を大きくもとれるバネ構造を作成できるので、全体としてのデッドスペースを減らすことも可能となる。

図２は、本発明に係る静電トランスの変圧比を説明するための原理図である。既述の通り、交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴと交流入力電圧Ｖ_ＩＮの比である変圧比（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）は、「入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ａ」÷「出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ｂ」で与えられるものであるが、この導出過程を図２に基づいて説明する。

静電アクチュエータの解析理論としては、櫛歯アクチュエータ（コムドライブ）の解析理論が広く知られている。そこで、櫛歯の初期オーバーラップ距離をＸ_１，Ｘ_２とし、櫛歯間距離をｄ_１，ｄ_２とし、櫛歯の厚さをｂとし、エレクトレットの荷電量（ポテンシャル）をＥ_１，Ｅ_２とし、歯数をｎ_１，ｎ_２とし（平板ではｎ＝０．５）、入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数をＡとし、出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数をＢとすると、駆動点行列は、次の式で与えられる。

ここで、機械抵抗ｒ_ｆについては、共振が成立しているとして、Ｚｍ＝ｒ_ｆとする。

以下に示す式（１），式（２），式（３）は、それぞれ、入力電流，出力電流，出力電圧を示す計算式である。

これらの式（１），式（２），式（３）を用いることにより、以下に示す式（９），式（１０）を得ることができる。特に、式（１０）は、静電トランスの変圧比（Ｖ_ＯＵＴ／Ｖ_ＩＮ）を表すものであり、「入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ａ」と「出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数Ｂ」の比により、交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴと交流入力電圧Ｖ_ＩＮの比が決定されることを表している。

また、式（３）により示されている効率ηから明らかなように、機械抵抗ｒ_ｆ＝０となるときには、η＝１００％となる。したがって、先に述べた通り、可動電極６を真空封止しておくのが好適である。

−実施の形態１における変形例１−
図３は、実施の形態１における変形例１の静電トランス平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。先に説明した図１の構成は、可動電極６を共通電位とした３端子型の静電トランスであるが、ここで説明する静電トランスは、可動電極の内部に絶縁層を設けることにより、入力側と出力側をアイソレートしている。すなわち、図３（Ｂ）に示すように、可動電極６Ａと可動電極６Ｂの間に内部絶縁層１８を設けてある。

端子Ｔ１および端子Ｔ２を介して、可動電極６Ａと入力側固定電極２の間に交流入力電圧Ｖ_ＩＮを印加する。そして、端子Ｔ３および端子Ｔ４を介して、可動電極６Ｂと出力側固定電極４の間から交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴを取り出す。なお、図３（Ｂ）においては、エレクトレット２０およびエレクトレット２２を、それぞれ入力側固定電極２０および出力側固定電極４に取り付けてあるが、これらエレクトレット２０，２２の替わりに、可動電極６Ａ，６Ｂの表面にエレクトレットを設けてもよい（図１（Ｂ）参照）。その他の構成および動作は、図１の場合と同じである。

図３に示した構成により、アイソレーション機能付きの４端子型静電トランスを実現することができる。なお、都合に応じて端子Ｔ２と端子Ｔ３を接続することにより、３端子型の静電トランスとして利用してもよい。

図１の場合と同様、エレクトレットの電荷を保護するために、その表面に疎水膜あるいは窒化シリコン膜のような絶縁性の保護膜を有していることが望ましい。また、図３に示した静電トランスは、ＭＥＭＳ技術により形成した一体構造ではなく、アセンブリにより構成したものであることから、全体として大型の形状にならざるを得ないが、逆に、そのぶんだけ扱える電力を大きくすることができる。例えば、市販されているエレクトレット用樹脂を利用し、アセンブリの前に一括で形成することができる。さらに、ローコストな素材を利用できるだけでなく、耐久性が高く、より振幅を大きくもとれるバネ構造を作成できるので、全体としてのデッドスペースを減らすことも可能となる。

−実施の形態１における変形例２−
図４は、実施の形態１における変形例２の静電トランス平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。先に説明した図１（Ｂ）の構成では、可動電極６の両電極面にエレクトレット８，１０を設けてあるが、ここで説明する静電トランスは、エレクトレット１０の替わりに、櫛歯状のエレクトレット３４を設けてある。すなわち、図４（Ｂ）に示されている可動電極３０は、可動電極自体の形状を単なる平板（図１（Ｂ）の可動電極６）とするのではなく、入力側固定電極２に対向する電極面のみを平板とし、出力側固定電極４Ａに対向する電極面には櫛歯状の凸部を設けてある。

可動電極３０の凸部に対向している出力側固定電極４Ａは、この凸部と所定の間隔をもって嵌合するように、所定の間隔ごとに凹部を有する櫛歯状電極となっている。したがって、図４（Ｂ）の上下方向（＝Ｚ軸方向）に可動電極３０が振動するのに応答して、櫛歯状の出力側固定電極４Ａには電荷が誘起され、ボルテージフォロアＡ_ｍｐから出力電圧Ｖ_ＯＵＴが得られる。その他の構成および動作は、図１の場合と同じである。

より具体的には、エッチングもしくはパンチ加工によって穴あきの金属板を作成し、その金属板を積層して圧着あるいは導電性接着剤によって張り合わせることで、図４（Ｂ）に示す可動電極３０の凹凸形状、および、出力側固定電極４Ａのような櫛状構造を作成することができる。さらには、ガラス板をサンドブラストなどで凹凸の櫛歯状に加工し、その表面に導体皮膜を蒸着することで電極としてもよい。なお、櫛歯は縞状形状にかぎらず、千鳥格子状形状とすることも可能である。

図４（Ｂ）においては、可動電極３０の電極面上にエレクトレット８，３４を形成してあるが、これらエレクトレット８，３４に替えて、入力側固定電極２および出力側固定電極４Ａにエレクトレットを設けてもよい（図示せず）。すなわち、エレクトレットは可動電極および固定電極のいずれか一方に付いていればよい。なお、エレクトレットを形成する方法として、誘電体樹脂を表面に塗付し、コロナ放電で永久帯電させる方法が一般的であるが、アセンブリの際にアルカリイオンを含有したシリコン酸化膜を貼り付けてもよい。

−実施の形態１における変形例３−
図５は、実施の形態１における変形例３の静電トランス平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。本図に示す静電トランスは、先に説明した図４（Ｂ）の出力側固定電極４Ａと異なり、１つの櫛歯状凸部の側面に、さらに複数の凸部および凹部を設けてある。すなわち、先に図４（Ｂ）で説明した出力側固定電極４Ａの凸部（＝櫛歯）と異なり、本図における出力側固定電極４Ｂの凸部側面は、Ｚ軸方向の位置が変化するのに伴って、凹凸（＝Ｘ軸方向への凹凸）を繰り返している。

可動電極３０が上下方向（＝Ｚ軸方向）に振動すると、可動電極３０に付着されているエレクトレット３４が出力側固定電極４Ｂの凹部内に所定の間隔をもって出入りすることになる。その結果、エレクトレット３４が出力側固定電極４Ｂの凹部内を一往復する間に、複数の櫛部（＝Ｘ軸方向への凹凸）を通過することになる。すると、出力側固定電極４Ｂに誘起される電荷はエレクトレット３４が上記櫛部を通過するたびに増減するので、上記の一往復内において複数回の電圧の増減が生じる。かくして、交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴの周波数は、交流入力電圧Ｖ_ＩＮの周波数より高い周波数となる。換言すると、図５に示した静電トランスは、変圧比により規定される電圧変換機能のほかに、周波数変換機能も併せ持つことになる。

図５（Ｂ）に示した出力側固定電極４Ｂの櫛状突起部は、例えば、穴のサイズが違う金属板を積層することにより作製することができる。

また、従来から知られている一般的な静電トランスでは、昇圧機能をもたせる構成にしようとすると、出力側の電気機械結合係数（式（１０）に示したＢ）を小さくせざるを得ないので、静電容量を大きくするにも限界があり、出力インピーダンスを引き下げることは困難である。しかし、図５に示した構成とすることで、静電容量は低くとも、周波数を高めることができるので、その結果として、出力インピーダンスを引き下げることができるようになる。

−実施の形態１における変形例４−
図６は、実施の形態１における変形例４の静電トランス平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。本図に示す静電トランスは、先に説明した図１の静電トランスを４端子型とするとために、可動電極内に内部絶縁層１８（図３参照）を設け、且つ、静電容量を増加させるために高誘電率層５０Ａ，５０Ｂを挿入したものである。

このように、入力側静電アクチュエータおよび出力側静電アクチュエータの各ギャップ内に高誘電率層５０Ａ，５０Ｂを挟み込むことにより、静電容量を増加させることができる。例えば、チタン酸バリウムのような非常に比誘電率の高い材質を用いることにより、静電容量を通常より遥かに大きく引き上げることができる。なお、この高誘電率層は固定電極と可動電極の電極間の空間の一部を充填していればよく、何らかの電極上に成膜し積層しておく必要はない。

また、図６（Ｂ）に示す構成では、絶縁スペーサ１２Ａ，１２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを介して高誘電率層５０Ａ，５０Ｂを挿入してあるが、高誘電率層が絶縁体であるならば、固定電極あるいは可動電極上に直接形成してもよい。また、高誘電率層を形成する素材として、ＭＥＭＳ技術を用いるのであればシリコンや酸化チタンなどが適しているが、アセンブリにより静電トランスを製造する場合には他の材質を選択することも可能である。

高誘電率材の候補としては、塩化ビニル，ガラス，黒鉛板，チタン酸バリウム，ロッシェル塩などがある。また、静電トランスは電力変換効率の面から低圧・減圧パッケージにて運用されることが望ましいので、大気や湿気の曝露に弱い素材も利用することが可能である。

＜実施の形態２＞
図７は、実施の形態２により製造した静電トランスの平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。ここで説明する実施の形態２は、これまで説明してきた実施の形態１と異なり、可動電極６が横方向（＝Ｘ軸方向）に振動する。この振動を実現するために、入力側静電アクチュエータおよび出力側静電アクチュエータの固定電極表面および可動電極表面には縞状の凹凸部（いわゆる突極）が設けられている。

図７（Ｂ）に示すように、入力側固定電極２Ａと、出力側固定電極４Ｃと、可動電極６を絶縁スペーサ１２Ａ，１２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂを介して積み重ねており、且つ、エレクトレット７０Ａ，７０Ｂを可動電極６の両面に形成してある点からみれば、図１と同じであるが、可動電極６の振動方向が上下方向（＝Ｚ軸方向）ではなく横方向（＝Ｘ軸方向）となっているので、両者の構成は異なっている。しかも、入力側静電アクチュエータおよび出力側静電アクチュエータの固定電極面に設けられている凸部と、可動電極面に設けられている凸部形状のエレクトレットは、初期状態では、対向する各凸部の幅の半分程度だけズレた状態となるよう位置決めされている。

なお、可動電極の電極表面を凹凸形状とし、その表面にエレクトレットを形成してもよい。また、エレクトレットを固定電極側に設けてもよい。

入力側静電アクチュエータに交流入力電圧Ｖ_ＩＮを印加すると、可動電極６は、エレクトレット７０Ａによる電位差＋交流電圧による電位およびスプリング５６Ａ，５６Ｂによるバネの力に基づいて、最も安定するところに移動しようとする。すなわち、電位差が大きいほど、櫛同士が対向する状態に近づく。ここで重要なことは、電位差であり電位の正負ではないので、交流入力電圧Ｖ_ＩＮに対して２倍の周波数で振動することになる。

スプリング５６Ａ，５６Ｂは、垂直方向（＝Ｚ軸方向）の変位に対しては硬く、水平方向（＝Ｘ軸方向）の変位に対しては柔らかくなるよう作製しておくことにより、交流入力電圧Ｖ_ＩＮの印加に応じて、可動電極６はほぼ水平方向（＝Ｘ軸方向）に振動する。

出力側静電アクチュエータについても、入力側静電アクチュエータと同様の凹凸構造とすることにより、静電トランスとして機能させることができる。なお、凹凸部の幅およびピッチを設定する際に、出力側静電アクチュエータのほうを高密度（または低密度）に形成すると、ボルテージフォロアＡ_ｍｐから得られる交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴの周波数を変換することができる。あるいは、水平方向（＝Ｘ軸方向）の振動振幅を高めるために、可動電極６と同一面内に、水平方向駆動用の静電アクチュエータを別途左右に置いてもよい（図示せず）。

−実施の形態２における変形例１−
図８は、実施の形態２における変形例１を説明する図である。本図の（Ａ）は、図７（Ｂ）に示されている出力側固定電極４Ｃの凸部を拡大したものである。これに対して、ここで述べる実施の形態２における変形例１では、本図の（Ｂ）に示すように、一つの凸部がさらに複数の櫛部に分かれている。

図８の（Ｂ）に示す変形例１は、図５（Ｂ）に示されている可動電極３０と出力側固定電極４Ｂの位置関係と同じである。すなわち、図７（Ｂ）の可動電極６が横方向（＝Ｘ軸方向）に振動すると、出力側固定電極４Ｃに誘起される電荷はエレクトレット７０Ｂが上記櫛部を通過するたびに増減するので、交流出力電圧Ｖ_ＯＵＴの周波数は、交流入力電圧Ｖ_ＩＮの周波数より高い周波数を有することになる。換言すると、変圧比により規定される電圧変換機能のほかに、周波数変換機能も併せ持つことになる。

また、従来から知られている一般的な静電トランスでは、昇圧機能をもたせる構成にしようとすると、出力側の電気機械結合係数（式（１０）に示したＢ）を低くせざるを得ないので、静電容量を大きくするにも限界があり、出力インピーダンスを引き下げることは困難である。しかし、図７に示した構成とすることで、静電容量は低くとも、周波数を高めることができるので、その結果として、出力インピーダンスを引き下げることができるようになる。

＜実施の形態３＞
図９は、実施の形態３により製造した静電トランスの平面図（Ａ）および断面図（Ｂ）を示している。ここで説明する静電トランスは、水平方向（＝Ｘ軸方向）と垂直方向
両方に振動するタイプの構成例である。例えば図１に示した静電トランスの場合、振動方向は原則上下（＝Ｚ軸方向）の一軸であり、図７に示した静電トランスの場合、振動方向は左右（＝Ｘ軸方向）の一軸である。これら静電トランスは、それぞれ少なくとも１種類の共振モードを有し、静電トランスとしては、主にその共振周波数を利用している。

一方、ここで説明する静電トランスは、垂直方向（＝Ｘ軸方向）と水平方向（＝Ｘ軸方向）の二種類の振動モードを有している。そのため、エレクトレットは可動電極の側面と、固定電極にそれぞれ形成されている。さらに、各固定電極はそれぞれ側面にも広がっている。

バネは水平方向と垂直方向に動きやすいように形成されている。そして、それぞれの振動モードは異なる共振周波数を持つようにする。使用する振動モードによって共振周波数を切り替えることで、出力インピーダンスや変圧比を切り替えることができる。例えば固定電極を分割し、後段にスイッチを設けて出力を合流させたり、あるいは、させなかったりと切り替えることで変圧比を切り替えてもよいが、その場合は使わなかった部分が無駄になる。本構成であれば無駄が少ない。もちろん、平面上にエレクトレットや電極を形成せず、水平振動モードだけにしてもよいが、その場合はＭＥＭＳ技術により一括で作成したほうが高密度に形成しやすいため有利である。

これまで説明してきた静電トランスと同様、複数層の積層が可能となる利点を有しているので、実施の形態３においても、斯かる利点を生かしている。なお、積層方法としては、陽極接合あるいは金属接合のほか、圧着など様々な方法を採ることができる。

また、別形態として、固定電極としてある部分を可動電極にしてもよい。すなわち、上下の電極は垂直方向に振動する自由度をもち、中央の電極は左右に振動する自由度を持つ、といった構成を採ることも可能である。

−実施の形態による作用・効果−
以下に、本発明を実施することにより生じる作用あるいは効果を列挙する。
（１）構造がシンプルであり、アセンブリによる作製が可能である。
（２）大サイズの静電トランスが作製可能であり、微細化する必要がない。
（３）衝撃に強い材質を選択することができる。
（４）振動量を増加させ易いバネ材質を選択することができる。
これらにより、製造コストの上昇を招来することなく、出力の大きな静電トランスを実現することができる。

なお、本発明を実施するに際しては、ＭＥＭＳ技術によって作成した櫛歯構造、およびアルカリイオン含有無機エレクトレットを用いた静電トランスに限定されないので、
・構造が複雑である。
・シリコンウェハのサイズとＭＥＭＳ製造装置の性能にサイズや微細度が制約される。
・Ｓｉベースの材質を用いた場合、Ｓｉは脆性材料のため衝撃に弱い恐れがある。
・振動量に限界があり、信号のダイナミックレンジに制限がある。
といった問題点を回避することができる。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上述した実施の形態および変形例に限定されるものではない。
実施の形態と変形例の一つとを組み合わせること、もしくは、実施の形態と変形例の複数とを組み合わせることも可能である。
変形例同士をどのように組み合わせることも可能である。
さらに、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

２ 入力側固定電極
４ 出力側固定電極
６ 可動電極
８，１０ エレクトレット
１２Ａ，１２Ｂ，１４Ａ，１４Ｂ 絶縁スペーサ
１６Ａ，１６Ｂ スプリング
１８ 内部絶縁層
Ｒ_Ｌ 負荷抵抗
Ａ_ｍｐ ボルテージフォロア

Claims (7)

1. 第１の固定電極と、
   前記第１の固定電極と対向する位置に設けた第２の固定電極と、
   前記第１の固定電極と前記第２の固定電極により挟まれた空間内に、可撓性部材を介して変位自在に支持されている可動電極と、
   前記可動電極の電極面上に設けた永久帯電膜、または、前記第１の固定電極および前記第２の固定電極にそれぞれ設けた永久帯電膜とを備えた静電トランスであって、
   前記第１の固定電極と前記可動電極の間に印加する交流入力電圧に応じて前記可動電極の位置を変位させ、前記第２の固定電極に誘起される電荷の変化に対応した交流出力電圧を取り出す際に、
   前記交流入力電圧と前記交流出力電圧の比を、前記第１の固定電極および前記可動電極とにより構成される入力側静電アクチュエータの電気機械結合係数と、前記第２の固定電極および前記可動電極とにより構成される出力側静電アクチュエータの電気機械結合係数の比に基づいて決定する、ことを特徴とする静電トランス。
2. 請求項１に記載の静電トランスにおいて、
   前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面は、
   前記第１の固定電極と前記可動電極との間の距離を変化させるための平板電極構造、および、前記第１の固定電極と平行に前記可動電極の位置を変位させるための櫛歯状電極構造、のいずれか一方を有することを特徴とする静電トランス。
3. 請求項２に記載の静電トランスにおいて、
   前記可動電極は、
   絶縁層と、前記絶縁層における一方の面側に形成された第１の導電層と、前記絶縁層における他方の面側に形成された第２の導電層とを備えており、
   前記交流入力電圧は、前記第１の固定電極と前記第１の導電層の間に印加され、
   前記交流出力電圧は、前記第２の固定電極と前記第２の導電層との間から取り出される、ことを特徴とする静電トランス。
4. 請求項２または３に記載の静電トランスにおいて、
   前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面として、前記第１の固定電極と前記可動電極との間の距離を変化させる平板電極構造を有し、
   前記第２の固定電極は櫛歯状電極であって、
   前記可動電極における電極面のうち前記第２の固定電極に対向している側の電極面は、前記第２の固定電極の櫛歯状電極の凹部と所定の間隔をもって嵌合する櫛歯状凸部を有することを特徴とする静電トランス。
5. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の静電トランスにおいて、
   前記第１の固定電極と前記可動電極により挟まれている空間内に第１の高誘電率層を配置し、且つ、前記第２の固定電極と前記可動電極により挟まれている空間内に第２の高誘電率層を配置することを特徴とする静電トランス。
6. 請求項２または３に記載の静電トランスにおいて、
   前記可動電極における電極面のうち、前記第１の固定電極に対向している側の電極面として、前記第１の固定電極と平行に前記可動電極の位置を変位させるための櫛歯状電極構造を有し、
   前記第２の固定電極は櫛歯状電極であって、
   前記可動電極における電極面のうち前記第２の固定電極に対向している側の電極面は、前記第２の固定電極の櫛歯状電極に対向した所定形状の櫛歯状電極を有することを特徴とする静電トランス。
7. 請求項６に記載の静電トランスにおいて、
   前記第２の固定電極における櫛歯電極のピッチを可変設定することにより、前記交流出力電圧の周波数を可変設定することを特徴とする静電トランス。

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