JP5879197B2 - 静電型変換装置、静電型トランスおよび交流電圧発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電型変換装置、静電型トランスおよび交流電圧発生装置に関するものである。

ＭＥＭＳ技術を用いて作成された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特許文献１に記載されている。この特許文献１には、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歯合する第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歯合する第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の櫛歯電極が同じ動き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構成が開示されている。

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、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をさせること）が開示されている。そして２組の静電アクチュエータを高真空中におき（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）、出力側静電アクチュエータも入力側静電アクチュエータの振動に伴って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。ここでえられる出力電圧は交流であるので、後段の回路で整流することにより昇圧された直流が得られる。

特開２０１１−６２０２４号公報

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、回路のQ値が高くなるように設計し、かつ空気抵抗を抑えるために高真空封止にすることが必要であった。

しかしながら、バネ定数を弱くして高いQ値とするにはその分だけ軽量にしなくてはならないので、設計の自由度が小さくなるという問題がある。しかも、可動櫛歯電極の振幅を大きくすると梁の非線形性の影響も大きくなってしまうので、高いQ値を得ることは困難である。

本発明に係る静電型変換装置は、第１の櫛歯状固定電極、および前記第１の櫛歯状固定電極に歯合して櫛歯が伸延する方向に変位する第１の櫛歯状可動電極を有する入力側静電アクチュエータと、前記第１の櫛歯状可動電極の変位に対応して同一平面内で変位する可動部材と、前記可動部材に生じる変位量を拡大もしくは縮小させるリンク機構部材と、前記リンク機構部材により拡大もしくは縮小された変位量に連動して櫛歯が伸延する方向に変位する第２の櫛歯状可動電極、および前記第２の櫛歯状可動電極に歯合する第２の櫛歯状固定電極を有する出力側静電アクチュエータとを備え、前記第１の可動電極を振動させることにより前記出力側静電アクチュエータから交流出力を得ることを特徴とする。
本発明に係る静電型トランスは、本発明に係る静電型変換装置を用いて入力交流電圧の昇圧もしくは降圧を行うことを特徴とする。
本発明に係る交流電圧発生装置は、櫛歯電極により構成されている前記入力側静電アクチュエータを自励発振器の帰還回路中に挿入し、前記出力側静電アクチュエータから交流電圧を出力することを特徴とする。

本発明によれば、静電アクチュエータの可動電極に生じる振幅を増幅（もしくは減衰）させる新規な機構を実現することができので、従来の技術では実現し得なかった小型の素子により所望の入出力変換機能を達成することが可能となった。

本発明に係る静電型変換装置の実施の形態１を示す平面図である。 実施の形態１におけるヒンジの構造を示す説明図である。 実施の形態１におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態２を示す平面図である。 実施の形態２におけるヒンジの構造を示す説明図である。 実施の形態２におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態３を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態４を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態５を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態６を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態７を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態８を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態９を示す平面図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態１０を示す回路図である。 本発明に係る静電型変換装置の実施の形態１０の変形例を示す回路図である。

以下、図面を参照して、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、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態１を示す平面図である。ここで説明する実施の形態１は、入出力間での昇圧機能を果たす。本図において、固定電極２ａおよび可動電極４ａは、所定の間隔をもって歯合する固定櫛歯電極および可動櫛歯電極である。なお、図１のＺ軸方向には、固定櫛歯電極２ａおよび可動櫛歯電極４ａが延在している。可動電極４ａは可動部材６ａに固着されている。

可動部材６ａは、ヒンジ１２ａを中心としてＸ−Ｙ平面上を回動するので、固定櫛歯電極２ａおよび可動櫛歯電極４ａによる入力側静電アクチュエータ２０ａが構成される。可動部材６ａの初期位置は、バネ等の支持部材１４により規定される。ヒンジ１２ａの具体的な構成については、後に図２および図３を参照して説明する。

可動部材６ａの他端（ヒンジ１２ａから遠い端部）は出力側の可動電極８ａに接続されている。入力側静電アクチュエータ２０ａと同様、可動電極８ａは可動櫛歯電極であり、固定電極１０ａはこの可動櫛歯電極と所定の間隔をもって歯合する固定櫛歯電極である。固定電極１０ａおよび可動電極８ａにより、出力側静電アクチュエータ３０ａを構成する。

入力側静電アクチュエータ２０ａの可動電極（可動櫛歯電極）４ａと、出力側静電アクチュエータ３０ａの可動電極（可動櫛歯電極）８ａは、可動部材６ａの両端部にそれぞれに固着されている。したがって、出力側静電アクチュエータ３０ａの可動電極８ａは、入力側静電アクチュエータ２０ａの可動電極４ａの変位方向と同じ方向に変位をすることになる。しかも、可動部材６ａはヒンジ１２ａを中心にしてＸ−Ｙ平面上を回動するので、入力側可動電極４ａの変位量を増幅した変位量が出力側可動電極８ａに与えられる。換言すると、入力側の可動電極４ａにおける変位量がＬであるときには、出力側の可動電極８ａはＭ＝ｋ・Ｌ（ｋ＞１）だけ変位することになる。

なお、入力側の可動電極４ａと、出力側の可動電極８ａとを電気的に分離するために、可動部材６ａの途中には絶縁部材を介挿させておく。図１では、黒塗りの長方形により、絶縁物を摸式的に表している。また、ヒンジ１２ａを中心にして可動部材６ａが円弧状に回動することから、可動電極４ａ，固定電極２ａおよび可動電極８ａ，固定電極１０ａを構成する各櫛歯電極も円弧状となるよう湾曲させておく。この円弧状湾曲はＸ−Ｙ平面における湾曲であり、Ｘ−Ｚ平面上での湾曲は必要ない。

次に、図２および図３を参照しながら、ヒンジ１２ａの構成について具体的に説明する。一般的に知られているヒンジ（蝶番）は、中心ピンの回りに回動する物理的な摺動面が存在するが、ＭＥＭＳ構造では潤滑のための給油などが困難であることから、摺動面の磨耗による耐久性の問題が避けられない。しかも、一般的に知られているようなヒンジをＭＥＭＳ技術で構成するには、多層の犠牲層エッチングなどが必要となるので、製造コストも高くなってしまい現実的ではない。そこで、ＭＥＭＳ技術を用いる本実施の形態では、物理的に他の箇所より曲がり易くなっている薄い部分を形成することにより、ヒンジ１２ａとしての機能を実現している。

図２に示すように、平面図（Ｘ−Ｙ平面）では折れ曲がる（回動する）部分が薄くなっており、その部分がヒンジ１２ａとして機能する。すなわち、他の箇所より曲がり易くなっているので、外力が加わると、擬似的にその薄い箇所が中心ピンと同様に機能し、その箇所を中心として円弧状に可動部材６ａが回動することになる。なお、図２のＸ−Ｚ平面図に示すように、垂直方向（Ｚ軸方向）には薄くなっていないので、ヒンジ１２ａを中心として垂直方向に回動することはない。

再び図１に戻り、出力側静電アクチュエータ３０ａに付されている永久帯電膜について説明する。本実施の形態１では、直流電源を出力側静電アクチュエータ３０ａに接続する代わりに、エレクトレットを用いて永久帯電膜を実現している。より具体的には、出力側静電アクチュエータ構造３０ａの可動電極８ａまたは固定電極１０ａのいずれか一方の側面には、エレクトレットが形成されている。あるいは、櫛歯電極自身がエレクトレットで形成されている。

このエレクトレットは、アルカリ金属ないしアルカリ土類金属のプラスイオンを含有する酸化シリコンからなる。イオンとしては、カリウム、カルシウム、ナトリウム、リチウムのイオンを用いる。エレクトレットは、アルカリ雰囲気内でシリコンを酸化して作成する。もちろん、酸化シリコンに外部からのコロナ放電やイオン注入で電荷や固体イオンを注入してもよい。但し、その場合には櫛歯電極の側面にエレクトレットを形成することは困難である。

入力側静電アクチュエータ２０ａの入力端子Ａ，Ｂ間には、交流電圧源を接続する。また、出力側静電アクチュエータ３０ａの出力端子Ｃ，Ｄ間には、固定電極１０ａに誘起された電荷を取り出して電圧に変換するＩ／Ｖ変換回路１６ａを接続する。かくして、図１に示した静電型変換装置は、昇圧回路として機能することになる。また、可動部材６ａの長さを適宜選択することにより、昇圧率を可変設定することができる。さらに、入力側静電アクチュエータ２０ａと出力側静電アクチュエータ３０ａを入れ替えることにより、降圧回路として機能させることもできる。

図１に示した静電型変換装置にでは、入力端子Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加し、Ｂ端子およびＧ端子を接地する。すると、可動部材６ａはＸ−Ｙ平面上を円弧状に回動（振動）する。出力側静電アクチュエータ３０Ａは、ヒンジ１２ａから見て入力側静電アクチュエータ２０ａよりも外側（遠い位置）に位置するので、上記振動による振幅は入力側アクチュエータ２０ａにおける振幅よりも増幅されることになる。そして、出力側の可動電極８ａ（すなわち、可動櫛歯電極）がエレクトレットによる電界中を移動することによって、静電誘導による電荷が誘起され、出力電流が得られる。この出力電流は、従来から知られている３端子型櫛歯アクチュエータ（特許文献１参照）と異なり、出力側の可動電極８ａが入力側の可動電極４ａより大きな振幅で振動することになるので、より大きな電流値となる。

なお出力電流を増大させるためには、エレクトレットが十分な電荷を有し、且つ出力側静電アクチュエータ３０ａの静電容量が十分に大きく、しかも寄生容量をできるだけ小さくすることが望ましい。また、エレクトレットを荷電させるにはＢＴ処理が必要な場合があるが、その場合は、エレクトレットにつながる導通路をあらかじめ作成しておき、ＢＴ処理後に除去する。あるいは、バネを出力側の可動部につながるようにし、そちら側を導通路としてもよい。そして、静電誘導によって誘起した電流に対し、後段側にＩ／Ｖ変換回路１６ａを組み込むことにより、入力する交流電圧よりも高い電圧の交流電圧を取り出すことができる。

以上のことから、図１に示した静電型変換装置は、片持ち梁構造の可動部材６ａにより回動される可動電極４ａおよび可動電極８ａを備えた昇圧回路／降圧回路のみならず、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たすことができる。

＜実施の形態２＞
図４は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態２を示す平面図である。入出力間で昇圧機能を果たすことは、図１に示した実施の形態１と同じであるが、ここで説明する実施の形態２では、可動部材６ｂが垂直方向（Ｚ軸方向）に回動する点が異なっている。すなわち、ヒンジ１２ｂを中心として、可動部材６ｂが垂直方向（Ｚ軸方向）に振動することにより、出力側静電アクチュエータ３０の固定電極１０ｂから交流電流を取り出している。

図５は、ヒンジ１２ｂの構造を示す図である。先に説明した実施の形態１と異なり、Ｚ方向の厚さが薄くなっているので、ヒンジ１２ｂを中心にして垂直方向に回動することになる。また、片持ち梁構造の可動部材６ｂは、実施の形態１と同じく、左右の部分が電気的に絶縁されている。また、実施の形態１と同じく、出力側静電アクチュエータ３０ｂの可動電極表面にはエレクトレットが形成されている。

上述の通り、ヒンジ１２ｂに連結されている可動部材６ｂは、垂直方向に振動する自由度を有している。また、図６に示す通り、固定電極２ｂと可動電極４ｂは、初期段階で垂直方向（Ｚ軸方法）に対し、入力された交流電圧により振動する入力側可動電極の振幅の半値よりも大きな初期ズレを有している。入力側静電アクチュエータ２０ｂにて、可動電極４ｂと固定電極２ｂとが、垂直方向（Ｚ軸方向）に初期ズレを有していない場合は、可動部材６ｂを垂直方向に振動させることができない。

入力端子Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加し、入力端子Ｂおよび接地端子Ｇを接地すると、可動電極４ｂに連結されている可動部材６ｂは垂直方向（Ｚ軸方向）に円弧状に振動する。出力側静電アクチュエータ３０ｂは、ヒンジ１２ｂから入力側静電アクチュエータ２０ｂよりも外側に位置するので、その振幅は入力側アクチュエータ２０ｂにおける振幅よりも大となる。ここで、出力側静電アクチュエータ３０ｂにおける固定電極１０ｂおよび可動電極８ｂの垂直方向の厚みは、入力側静電アクチュエータ２０ｂにおける固定電極２ｂおよび可動電極４ｂよりも厚くなっていることが望ましい。

以上のことから、図４に示した静電型変換装置は、片持ち梁構造の可動部材６ｂにより回動される可動電極４ｂおよび可動電極８ｂを備えた昇圧回路／降圧回路であると言うばかりでなく、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たす静電型トランスであるとも言える。

＜実施の形態３＞
図７は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態３を示す平面図である。入出力間で昇圧機能を果たすことは、図１に示した実施の形態１と同じであるが、ここで説明する実施の形態３は、可動部材６Ｃがヒンジ１２ｃを中心に、Ｘ−Ｙ平面上を回転する点が異なっている。すなわち、可動部材６ｃの中間部を挟持する支持部材によりヒンジ１２ｃが実現されており、このヒンジ１２ｃの左側にある入力側可動電極４ｃと、このヒンジ１２ｃの右側にある出力側可動電極８ｃとはそれぞれ逆の方向に回動する。

図７から明らかなように、この実施の形態３でも、入力側静電アクチュエータ２０ｃの可動部材は、ヒンジ１２ｃを介して、出力側静電アクチュエータ３０ｃの可動電極と物理的につながっており、全体として可動部材６ｃとなっている。ただし、電気的に絶縁されていることは、実施の形態１で述べた通りである。

出力側静電アクチュエータ３０ｃとヒンジ１２ｃとの間の距離は、入力側静電アクチュエータ２０ｃとヒンジ１２ｃとの間の距離より長く設定されているので、入力側可動電極４ｃの振動が増幅されて出力側可動電極８ｃに伝えられることになる。また、出力側静電アクチュエータ３０ｃの可動電極表面（または固定電極表面）にはエレクトレットが形成されている。その他の点は、実施の形態１と同様である。すなわち、ヒンジ１２ｃにより平面方向（Ｘ−Ｙ平面）に振動する自由度を有し、固定電極２ｃ，１０ｃと可動電極４ｃ，８ｃは、それぞれヒンジ１２ｃからの距離に応じた円弧状の相対する櫛歯構造を有している。

図７に示す実施の形態３では、入力端子Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加し、入力端子Bおよび接地端子Gを接地する。このことにより、入力側可動電極４ｃに連結されている可動部材６ｃはヒンジ１２ｃを中心として振動する。出力側の可動電極８ｃは、入力側可動電極４ｃよりヒンジ１２ｃから離れた円弧上を回動するので、てこの原理に従い、その振幅は入力側可動電極４ｃにおける振幅よりも大となる。

以上のことから、図７に示した静電型変換装置は、ヒンジ１２ｃにより挟持された可動部材６ｃにより回動される可動電極４ｃおよび可動電極８ｃを備えた昇圧回路／降圧回路であると言うばかりでなく、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たす静電型トランスであるとも言える。

＜実施の形態４＞
図８は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態４を示す平面図である。入出力間で昇圧機能を果たすことは、図７に示した実施の形態３と同じであるが、ここで説明する実施の形態４は、可動部材６ｄがヒンジ１２ｄを中心に、垂直方向（Ｚ軸方向）に回動する点が異なっている。すなわち、可動部材６ｄの中間部を挟持する支持部材によりヒンジ１２ｄが実現されており、このヒンジ１２ｄの左側にある入力側可動電極４ｄと、このヒンジ１２ｄの右側にある出力側可動電極８ｄとはそれぞれ逆の方向に回動する。

図８から明らかなように、この実施の形態４でも、入力側静電アクチュエータ２０ｄの可動部材は、ヒンジ１２ｄ介して、出力側静電アクチュエータ３０ｄの可動電極と物理的につながっており、全体として可動部材６ｄとなっている。ただし、電気的に絶縁されていることは、実施の形態３で述べた通りである。また、固定電極２ｄと可動電極４ｄは、初期段階で垂直方向（Ｚ軸方法）に対し、入力された交流電圧により振動する入力側可動電極の振幅よりも大きな初期ズレを有している。

出力側静電アクチュエータ３０ｄとヒンジ１２ｄとの間の距離は、入力側静電アクチュエータ２０ｄとヒンジ１２ｄとの間の距離より長く設定されているので、入力側可動電極４ｄの振動が増幅されて出力側可動電極８ｄに伝えられることになる。また、出力側静電アクチュエータ３０ｄの可動電極表面（または固定電極表面）にはエレクトレットが形成されている。その他の点は、実施の形態３と同様である。すなわち、ヒンジ１２ｄにより垂直方向（Ｚ軸方向）に振動する自由度を有し、固定電極２ｄ，１０ｄと可動電極４ｄ，８ｄは、それぞれヒンジ１２ｄからの距離に応じた円弧状の相対する櫛歯構造を有している。

図８に示す実施の形態４では、入力端子Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加し、入力端子Bおよび接地端子Gを接地する。このことにより、入力側可動電極４ｄに連結されている可動部材６ｄはヒンジ１２ｄを中心として上下に振動する。出力側の可動電極８ｄは、入力側可動電極４ｄよりヒンジ１２ｃからはなれた円弧上を回動するので、てこの原理に従い、その振幅は入力側可動電極４ｄにおける振幅よりも増幅される。

以上のことから、図８に示した静電型変換装置は、ヒンジ１２ｄにより挟持された可動部材６ｄにより回動される可動電極４ｄおよび可動電極８ｄを備えた昇圧回路／降圧回路であると言うばかりでなく、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たす静電型トランスであるとも言える。

＜実施の形態５＞
図９は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態５を示す平面図である。本実施の形態では、弓型弾性材４０を備えており、入力側可動電極４ｅにより弓型弾性材４０に対する圧縮（または、引き延ばし）を行う。入力側可動電極４ｅに連結されている可動部材６ｅにより弓型弾性材４０を圧縮する場合、すなわち、図９の上下から弓型弾性材４０を圧縮する場合には、弓型弾性材４０と可動部材４２との連結点Ｐ１が図９の右側に押し出される。その結果として、出力側可動電極８ｅは図９の右側に向かって変位する。

これとは逆に、図９の上下に向かって弓型弾性材４０を引き延ばす場合には、弓型弾性材４０と可動部材４２との連結点Ｐ１が図９の左側に引き戻される。その結果として、出力側可動電極８ｅは図９の左側に向かってに変位する。なお、弓型弾性材４０の初期位置は、バネ等の支持部材３２により規定される。

以上のように、入力側可動電極４ｅが図９の上下方向（Ｙ軸方向）に変位するとき、弓型弾性材４０の変形作用により、可動部材４２は図９の左右方向（Ｘ軸方向）に変位し、その結果として、出力側可動電極８ｅは図９の左右に振動することになる。すなわち、入力端子Ａ，Ｂ間に交流電圧を印加し、入力端子Ｂおよび設定端子Ｇを接地することにより、上記Ｙ軸方向の変位が上記Ｘ軸方向の変位に変換される。いま、弓型弾性材４０を楕円の半分と見立たてた場合、楕円の長軸と平行に入力側静電アクチュエータ２０ｅを励振させ、楕円の短軸と平行に出力側静電アクチュエータ３０ｅが振動するようにすることにより、入力側の振幅よりも出力側の振幅を大きくすることができる。

このように、弓型弾性材４０の長さ・曲率を適切に設定することで、振動の増幅比を変更することができる。弓型弾性材４０は、左右方向には動き易くし、且つ上下方向には動きにくくするために、支持部材３２を介して励振のための電圧を供給する。なお、弓型弾性材４０は半楕円でなく、全楕円構造としてもよい。その場合、左右に出力側静電アクチュエータを連結する構成を採ることも可能である。

これまで述べた実施の形態１〜４と同じく、可動部材４２には、入力側静電アクチュエータ２０ｅと、出力側静電アクチュエータ３０ｅとを電気的に絶縁するための絶縁材が設けられている。さらに、出力側静電アクチュエータ３０ｅの可動電極表面（または固定電極表面）にはエレクトレットが形成されている。

以上のことから、図９に示した静電型変換装置は、弓型弾性材４０により駆動される可動部材４２により振動される可動電極８ｅを備えた昇圧回路／降圧回路であると言うばかりでなく、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たす静電型トランスであるとも言える。

＜実施の形態６＞
図１０は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態６を示す平面図である。本実施の形態では、２本のロッドＲ１，Ｒ２を組み合わせた可動部を持ち、各ロッドＲ１，Ｒ２はそれぞれ伸縮が可能なバネ構造（支持部材４２，４４）を有している。そして、各ロッドＲ１，Ｒ２には一定軸方向に励振する入力側静電アクチュエータを接続することにより、図１０の点線で示すように出力側の可動電極を振動することができる。

例えば、ロッドＲ１に固着されている可動電極４ｆが図１０の左方向に変位し、且つ、ロッドＲ２に固着されている可動電極４ｆが図１０の右方向に変位した場合には、図１０に点線で示すように、出力側静電アクチュエータ３０ｆの可動電極が図１０の左方向に回転する。換言すると、ロッドＲ１に固着されている静電アクチュエータと、ロッドＲ２に固着されている静電アクチュエータは、それぞれ同時に逆方向へ変位することにより、可動部の一方には引っ張り力、他方には圧縮の力を発生させ、結果として、先端部Ｐ２に固着されている可動部を円弧状に変位させる。

なお、出力側静電アクチュエータ３０ｆの可動電極は、バネ等の支持部材４６により初期位置が規定されている。さらに、入力側静電アクチュエータ２０ｆと出力側静電アクチュエータ３０ｆを電気的に分離するために絶縁体を介挿してある。図１０では、縦長の黒塗り長方形により、その絶縁体を摸式的に示してある。また、出力側静電アクチュエータ３０ｆの可動電極表面（または固定電極表面）にはエレクトレットが形成されている。

図１０に示した実施の形態６における変位増幅は、バイモルフ的な変位の増幅構造を与えるものである。すなわち、入力側静電アクチュエータの振動によって、ロッドの面張力を増加する方向の応力変化を与える。そして２組以上の入力側静電アクチュエータを用いて、それぞれ逆方向の応力を与えることにより、効率よく先端部Ｐ２を回動させることができる。また、図１０と異なり、可動部のロッドを分割し、同じ信号を入力した際に、上側は分割部が広がる方向に動き、下側は分割部が狭まる方向に動くようにしてもよい。

以上のことから、図１０に示した静電型変換装置は、昇圧回路／降圧回路であると言うばかりでなく、通常の変圧器（トランス）と同様の機能を果たす静電型トランスであるとも言える。

＜実施の形態７＞
図１１は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態７を示す平面図である。本実施の形態では、出力側静電アクチュエータの固定電極１０ｇを分割し、リレー５０（切り替え機構）を後段に接続してある。リレー５０を操作することで、静電誘導の出力を変動させることができる。

なお、リレー５０では、なく別のＩ／Ｖ変換回路のペアをつけてもよい。その場合は、個々のＩ／Ｖ変換回路のペアごとに、独立して出力Ｖoutを取り出すことができる。また、出力させたい電圧に応じて、櫛歯の本数あるいはＩ／Ｖ変換回路を割り当て、１個の素子で複数段階の出力、もしくは複数個の出力を生成してもより。あるいは、リレー自体をＭＥＭＳスイッチにて同一基板上に作成してもよい。さらに、入力側静電アクチュエータの固定電極を分割し、リレーを入力回路の前段に置いて入力側の有効櫛歯数を切り替えることで振幅を制御し、これにより、出力電圧を変更してもよい。

＜実施の形態８＞
図１２は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態８を示す平面図である。本実施の形態では、櫛歯電極を用いることなく平板を用いて静電アクチュエータを構成してある。その他の点は、図１に示した実施の形態１と同様であるので、説明は省略する。

＜実施の形態９＞
図１３は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態９を示す平面図である。本実施の形態では、櫛歯電極を用いることなく平板を用いて静電アクチュエータを構成してある。その他の点は、図４に示した実施の形態２と同様であるので、説明は省略する。

＜実施の形態１０＞
図１４は、本発明に係る静電型変換装置の実施の形態１０を示す回路図である。本実施の形態では櫛歯アクチュエータを自励発振回路の帰還回路として用いる。図１４のＡ，Ｂは、実施の形態１〜９における入力側静電アクチュエータ（入力側櫛歯アクチュエータ）の入力端子Ａ，Ｂを示している。

このように、入力端子Ａ，Ｂは入力側櫛歯の固定電極または可動電極に対応しており、どちらの電極が入力端子Ａ，Ｂであってもよい。しかしながら、一般に知られているように、寄生容量の少ないほうを入力端子Ａとするのが好適である。また、Ｖｂは自励発振に必要なバイアス電圧である。バイアス電圧の替わりに、エレクトレットを用いてもよい。その場合、入力端子Ｂの右の黒点から右側の回路は不要である。

図１５は、実施の形態１０における変形例を示す回路図であり、ＡＧＣ回路を付加してある。本実施の形態のように、振幅を外部から制御したい場合には、ＡＧＣ（Auto Gain Control）回路を追加してもよい。（なお、単に発振させたい場合には、ＡＧＣ回路は不要である。）

ＡＧＣ回路を追加することにより、発振回路のゲインを変更することができる。すなわち、ＡＧＣ回路に参照信号を外部電圧という形で供給することによって、発振の振幅を変更することができ、その結果、出力を変更することができるようになる。もちろん、参照信号は規定の固定値であってもよい。

−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ないし効果を列挙する。

本発明を実施することにより、振幅の増幅機構（減衰機構）を組み込むことができる。ヒンジなどの振幅増幅機構を用いると、入力側に相当する部分の振幅が小さくとも、出力側では大きく振動させることができる。また、ヒンジなどのような構造は、従来のように全体を同じ振動で振幅させる構造にくらべ、動きに非線形性が表れにくい。そのため、梁の非線形性による可動部のＱ値の低下を従来型よりも抑えることができる。

本発明を実施するによりＱ値を容易に高め、振動を大きくすることができるので、従来よりも低い真空度の構成をとり、より小型の素子で、同等の効果を得ることができる。また、単純に誘起できる電流量を増やすことができ、出力電流量を増やすことができる。さらに、入力と出力の位置を逆に作成することで、降圧も可能であり、昇圧回路ではなく静電型トランスとすることができる。

さらに、櫛歯を分割可能に構成することにより、後段の回路にて出力電圧を調整することができる。

本発明を実施することにより、入力側により励起できる振動と、出力側のアクチュエータとの振動の振幅を設計時点で変更することができる。その結果、同じ入力電圧でより高い（低い）出力電圧あるいは電流を得ることが可能になる。

また、有効とする櫛歯本数や面積を制限することで、出力電流を減らすこともできる。それによって、一般的なトランスと同様に、つなぐ端子によって出力電圧が異なる製品を作成することができる。具体的には、出力側静電アクチュエータの固定側電極の櫛歯を一定数ごとにまとめ、そこから後段の回路につなぎ、後段の回路側にリレーを設置する構成を採ることができる。そしてリレーを用いて、有効とする櫛歯本数を切り替えられるようにする。有効とする櫛歯本数によって誘起できる電流量が変化するので、出力電圧を調整することができるようになる。

また、自励振動が可能なように帰還回路を構成すれば、構造はそのままで、交流電圧引加がなくとも直流電圧を元に交流を作り出すインバータとしても機能させることができる。

従来の技術では、振幅を高めるために、回路を高Ｑ値に設計し、且つ高真空封止が必須であったが、本発明を実施する段階ではQ値を高くし易く高振幅を得ることが容易になるので、高真空封止は必ずしも必要ではない。また出力電流の向上を図ることができるので、昇圧回路あるいは静電トランスとして利用することができる。

本発明を実施した静電型トランスは磁界の影響を受けにくく、磁界に影響を与えにくいので、磁気記録素子の書き込み電圧生成、あるいは磁界に敏感な光電子増幅装置への応用に資することができる。

交流電圧印加、もしくは自励発振によって、振動することが可能な入力側静電アクチュエータ構造と、その振動に対し、それ以上（以下）の振幅で振動する振幅増幅・減衰構造を介してつながっている出力側静電アクチュエータからなる構造を構成することができる。

各静電アクチュエータ構造は櫛歯状構造を持つ可動電極と固定電極からなり、出力側静電アクチュエータ構造側の可動電極もしくは固定電極のいずれかの側面にはエレクトレットを形成することができる（もしくは、櫛歯電極自身をエレクトレットで形成することができる）。

上記のエレクトレットは、アルカリ金属ないしアルカリ土類金属のプラスイオンを含有する酸化シリコンを用いることができる。イオンとして、カリウム、カルシウム、ナトリウム、リチウムなどを用いることができる。エレクトレットはアルカリ雰囲気内でシリコンを酸化して作成する。もちろん、酸化シリコンに外部からのコロナ放電やイオン注入で電荷や固体イオンを注入してもよいが、その場合は櫛歯の側面に形成することが困難である。

固定電極はそれぞれ複数に分割することができる。その出力は後段または前段の回路にてリレーを介して合流させることができる。それにより、有効櫛歯本数を切り替え、出力電圧をリレーによって段階的に調整することができる。

−その他の変形例−
以上説明してきた実施の形態では、静電アクチュエータを前提としてはいるが、静電アクチュエータの代わりに圧電素子を用いてもよい。圧電素子の場合は固定電極・可動電極の組み合わせではなく、可動部のみとなり、入力・出力で可動部を電気的に絶縁し、変形を増幅・減衰さする形で出力を得ることができる。
これに対し、静電アクチュエータの場合は、櫛歯形状に形成することにより、単純な圧電素子に対して高密度化、高出力化が可能である。

振動周波数が低くてもよい場合、入力側と出力側のアクチュエータは、面積の異なるピストン構造と流体を介して接続してもよい。パスカルの原理に従い、出力側は入力に対しより大きな振動を得ることができる。

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。

２ａ 固定電極
４ａ 可動電極
６ａ 可動部材
８ａ 可動電極
１０ａ 固定電極
１６ａ Ｉ／Ｖ変換回路
２０ａ 入力側静電アクチュエータ
３０ａ 出力側静電アクチュエータ

Claims (8)

1. 第１の櫛歯状固定電極、および前記第１の櫛歯状固定電極に歯合して櫛歯が伸延する方
   向に変位する第１の櫛歯状可動電極を有する入力側静電アクチュエータと、
   前記第１の櫛歯状可動電極の変位に対応して同一平面内で変位する可動部材と、
   前記可動部材に生じる変位量を拡大もしくは縮小させるリンク機構部材と、
   前記リンク機構部材により拡大もしくは縮小された変位量に連動して櫛歯が伸延する方
   向に変位する第２の櫛歯状可動電極、および前記第２の櫛歯状可動電極に歯合する第２の
   櫛歯状固定電極を有する出力側静電アクチュエータとを備え、
   前記第１の櫛歯状可動電極を振動させることにより前記出力側静電アクチュエータから
   交流出力を得ることを特徴とする静電型変換装置。
2. 請求項１に記載の静電型変換装置において、
   前記リンク機構部材は、前記可動部材の所定位置を中心として前記可動部材を回動させ
   る支持部材を備え、前記可動部材の変位方向と同一の変位方向もしくは逆の変位方向に変
   位量を拡大もしくは縮小させることを特徴とする静電型変換装置。
3. 請求項１に記載の静電型変換装置において、
   前記リンク機構部材は、前記可動部材の変位方向と直交する変位方向に変位量を拡大も
   しくは縮小させる直交変換部材を有することを特徴とする静電型変換装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の静電型変換装置において、
   前記出力側静電アクチュエータの第２の櫛歯状可動電極および第２の櫛歯状固定電極の
   いずれか一方の電極側面には、永久帯電膜が形成されていることを特徴とする静電型変換
   装置。
5. 請求項４に記載の静電型変換装置において、
   前記永久帯電膜として、アルカリ金属またはアルカリ土類金属のプラスイオンを含んだ
   酸化シリコンからなるエレクトレットを用いることを特徴とする静電型変換装置。
6. 請求項４または５に記載の静電型変換装置において、
   前記出力側静電アクチュエータに含まれている第２の櫛歯状固定電極のうち、所定個数
   の櫛歯状固定電極から出力を取り出す選択手段をさらに備えることを特徴とする静電型変
   換装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の静電型変換装置を用いて入力交流電圧の昇圧も
   しくは降圧を行うことを特徴とする静電型トランス。
8. 請求項４から６のいずれか一項に記載の静電型変換装置を備え、
   前記入力側静電アクチュエータを自励発振器の帰還回路中に挿入し、前記出力側静電ア
   クチュエータから交流電圧を出力することを特徴とする交流電圧発生装置。

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