JP6678526B2 - Electromechanical transducer - Google Patents

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Description

本発明は、エレクトレット基板、その製造方法、および電気機械変換器に関する。   The present invention relates to an electret substrate, a method for manufacturing the same, and an electromechanical converter.

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、エレクトレット電極とその対向電極とを相対移動させることによって生じる静電誘導を利用して発電する発電装置が記載されている。また、特許文献2には、電極に電圧を印加したときにエレクトレットとの間で生じる静電気力を利用して移動子を駆動するエレクトレット駆動装置が記載されている。   2. Description of the Related Art Electromechanical converters that convert between electric power and motive power by electrostatic interaction generated by using an electret having a property of semi-permanently retaining charges are known. For example, Patent Literature 1 describes a power generation device that generates power using electrostatic induction generated by relatively moving an electret electrode and a counter electrode thereof. Further, Patent Document 2 discloses an electret driving device that drives a moving element by using an electrostatic force generated between the electrode and an electret when a voltage is applied to an electrode.

また、特許文献3には、Si基板の表面にウェット酸化(熱酸化)によりK+イオンを含むSiO層を形成し、その基板の上下端を電極で挟んでヒーターで加熱しながらバイアス電圧を印加して、K+イオンをSiO層の表面に移動させることで、K+イオンを含むSiO層のエレクトレットを備えたエレクトレット基板を製造する方法が記載されている。 In Patent Document 3, an SiO 2 layer containing K + ions is formed on the surface of a Si substrate by wet oxidation (thermal oxidation), and a bias voltage is applied while the upper and lower ends of the substrate are sandwiched between electrodes and heated by a heater. to, by moving the K + ions on the surface of the SiO 2 layer, a method of manufacturing an electret substrate with an electret SiO 2 layer containing K + ions is described.

特許文献4には、Si基板の上に、このSiの基材に接するように設けられた第1のSiO層と、第1のSiO層の上に、この第1のSiO層に接するように設けられたイオン不透過膜と、イオン不透過膜の上に、このイオン不透過膜に接するように設けられた第2のSiO層とを備え、第1のSiO層にアルカリイオンを含有しているエレクトレット膜が記載されている。 Patent Document 4, on a Si substrate, a first SiO 2 layer provided in contact with the base material of the Si, on the first SiO 2 layer, in the first SiO 2 layer an ion impermeable film provided in contact, on the ion impermeable membrane, and a second SiO 2 layer provided in contact with the ion impermeable membrane, the alkali in the first SiO 2 layer Electret films containing ions are described.

特開2015−192577号公報JP 2015-192577 A 特開2005−341675号公報JP 2005-341675 A 特開2014−049557号公報JP 2014-049557 A 特開2013−013256号公報JP 2013-013256 A

電気機械変換器にエレクトレットを利用するためには、エレクトレットの表面電位(エレクトレット基板の基台部分と帯電層との間の電位差)はなるべく高いことが望ましい。エレクトレットの表面電位Vは、帯電層の電荷密度σおよび膜厚dに比例する(V∝σdとなる)ので、表面電位Vを増加させるためには、電荷密度σまたは膜厚dを増加させる必要がある。しかしながら、特許文献3,4の方法で製造されたエレクトレットでは、電荷密度σはカリウムの含有量に依存するため、その量は大きく増加させることは難しい。また、膜厚dはSiO層の熱酸化膜の厚さであるため、膜厚を大きくするには長時間を要し、膜厚の大きさにも限界がある。したがって、表面電位Vを大きくすることは困難である。 In order to use an electret in an electromechanical converter, it is desirable that the surface potential of the electret (the potential difference between the base portion of the electret substrate and the charged layer) is as high as possible. Since the surface potential V of the electret is proportional to the charge density σ and the film thickness d of the charged layer (V∝σd), it is necessary to increase the charge density σ or the film thickness d in order to increase the surface potential V. There is. However, in the electrets manufactured by the methods of Patent Documents 3 and 4, since the charge density σ depends on the content of potassium, it is difficult to greatly increase the amount. Further, since the thickness d is the thickness of the thermal oxide film of the SiO 2 layer, it takes a long time to increase the thickness, and there is a limit to the thickness. Therefore, it is difficult to increase the surface potential V.

そこで、本発明は、エレクトレット基板の基台部分と帯電層との間の電位差を大きくすること、およびエレクトレット基板を利用する電気機械変換器の出力を大きくすることを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to increase the potential difference between the base portion of the electret substrate and the charging layer, and to increase the output of an electromechanical converter using the electret substrate.

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帯電部を構成するエレクトレット基板であって、Siで構成された基台と、基台の上に形成された第1のSiO層と、第1のSiO層の上に形成されたSi層と、Si層の上に形成されており正イオンを含有する第2のSiO層とを有することを特徴とするエレクトレット基板が提供される。 An electret substrate that constitutes a charging unit of an electromechanical converter that performs conversion between electric power and motive power by utilizing electrostatic interaction between the charging unit and a counter electrode, the substrate comprising Si. A base, a first SiO 2 layer formed on the base, a Si layer formed on the first SiO 2 layer, and a first SiO 2 layer formed on the Si layer and containing positive ions. And an electret substrate having two SiO 2 layers.

上記のエレクトレット基板では、第1のSiO層の厚さは第2のSiO層の厚さよりも大きいことが好ましい。 In the above electret substrate, the thickness of the first SiO 2 layer is preferably greater than the thickness of the second SiO 2 layer.

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帯電部を構成するエレクトレット基板の製造方法であって、Siで構成された基台、基台の上に形成された第1のSiO層、および第1のSiO層の上に形成されたSi層を有する基板を、正イオンを含む雰囲気中で熱酸化させて、正イオンを含有する第2のSiO層をSi層の上に形成する工程と、第2のSiO層の上方に負極を設置し、Si層を正極に接続して、第2のSiO層に電圧を印加することにより、第2のSiO層を帯電させる工程とを有することを特徴とする製造方法が提供される。 Further, the present invention provides a method for manufacturing an electret substrate constituting an electrification portion of an electromechanical converter for performing conversion between electric power and power using an electrostatic interaction between an electrification portion and a counter electrode, comprising: A substrate having a base, a first SiO 2 layer formed on the base, and a Si layer formed on the first SiO 2 layer is heated in an atmosphere containing positive ions. Oxidizing to form a second SiO 2 layer containing positive ions on the Si layer; placing a negative electrode above the second SiO 2 layer; connecting the Si layer to the positive electrode; by applying a voltage to the SiO 2 layer, the manufacturing method characterized in that it comprises a step of charging a second SiO 2 layer is provided.

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であって、可動支持部とともに移動可能な可動部材と、可動部材に対向して固定配置された固定基板と、可動部材と固定基板のうちの一方の同一面上に、可動部材の移動方向に間隔を空けて移動方向に配置された複数の帯電部と、可動部材と固定基板のうちの他方における複数の帯電部に対向する面上に、移動方向に配置された複数の対向電極とを有し、複数の帯電部のそれぞれが、Siで構成された基台、基台の上に形成された第1のSiO層、第1のSiO層の上に形成されたSi層、およびSi層の上に形成されており正イオンを含有する第2のSiO層を有す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 for converting between electric power and motive power by utilizing an electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode, comprising: a movable member movable with a movable supporting portion; A fixed substrate fixedly arranged facing the member, and a plurality of charging units arranged in the moving direction at intervals in the moving direction of the movable member on the same surface of one of the movable member and the fixed substrate, On the other of the movable member and the fixed substrate, on a surface facing the plurality of charged portions, there are provided a plurality of opposed electrodes arranged in the moving direction, and each of the plurality of charged portions is a base made of Si. A base, a first SiO 2 layer formed on the base, a Si layer formed on the first SiO 2 layer, and a second layer formed on the Si layer and containing positive ions. electromechanical transducer, characterized in that it comprises a SiO 2 layer is provided.

本発明によれば、本構成を有しない場合と比べて、エレクトレット基板の基台部分と帯電層との間の電位差が大きくなり、また、エレクトレット基板を利用する電気機械変換器の出力が大きくなる。   According to the present invention, the potential difference between the base portion of the electret substrate and the charged layer becomes larger than that in the case where the present configuration is not provided, and the output of the electromechanical converter using the electret substrate becomes larger. .

エレクトレット基板50の製造工程を説明する模式的な断面図である。It is a typical sectional view explaining the manufacturing process of electret board 50. 電気機械変換器1の概略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an electromechanical converter 1. 電気機械変換器1内のアクチュエータ10の斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of an actuator 10 in the electromechanical converter 1. エレクトレット基板50における下側のSiO層52の厚さと電気機械変換器1で発生する力の大きさとの関係を示すグラフである。4 is a graph showing a relationship between a thickness of a lower SiO 2 layer 52 in the electret substrate 50 and a magnitude of a force generated in the electromechanical converter 1. 他の電気機械変換器2の概略構成図である。FIG. 7 is a schematic configuration diagram of another electromechanical converter 2. 電気機械変換器2内の発電部10’の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a power generation unit 10 ′ in the electromechanical converter 2. さらに他の電気機械変換器3の概略構成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of still another electromechanical converter 3.

以下、図面を参照して、エレクトレット基板、その製造方法、および電気機械変換器について詳細に説明する。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, the electret substrate, its manufacturing method, and the electromechanical converter will be described in detail with reference to the drawings. However, it should be understood that the invention is not limited to the drawings or the embodiments described below.

図1(A)〜図1(D)は、エレクトレット基板50の製造工程を説明する模式的な断面図である。   FIGS. 1A to 1D are schematic cross-sectional views illustrating a process of manufacturing the electret substrate 50.

エレクトレット基板50は、単なるSi基板ではなく、図1(A)に示すSOI(Silicon on Insulator)基板50’を用いて作製される。SOI基板50’は、Siで構成された基台51、基台51の上に形成されたSiO層52、およびSiO層52の上に形成されたSi層53を有する基板である。SOI基板50’としては、市販のSOI基板を使用してもよいし、Siウエハ上にSiO層を蒸着またはスパッタなどで形成し、その上にSi層を蒸着またはスパッタなどで形成して作製された基板を使用してもよい。なお、Si層53のSiは単結晶である必要はない。 The electret substrate 50 is manufactured using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 50 'shown in FIG. The SOI substrate 50 ′ is a substrate having a base 51 made of Si, a SiO 2 layer 52 formed on the base 51, and a Si layer 53 formed on the SiO 2 layer 52. As the SOI substrate 50 ′, a commercially available SOI substrate may be used, or a SiO 2 layer is formed on a Si wafer by vapor deposition or sputtering, and a Si layer is formed thereon by vapor deposition or sputtering. A substrate that has been used may be used. Note that Si of the Si layer 53 does not need to be a single crystal.

エレクトレット基板50の製造時には、まず、図1(B)に示すように、K+イオン(カリウムイオン)を含む雰囲気中でSOI基板50’の表面のSi層53を熱酸化させて、K+イオンを含有するSiO層54をSi層53の上に形成する(熱酸化工程)。熱酸化は、SOI基板50’を熱酸化炉の中に入れ、水酸化カリウム(KOH)の水溶液内に窒素ガスを通過させて(バブリング)、KOHの蒸気と窒素ガスを炉内に導入することにより行われる。その際、Si層53の厚さ方向の全体ではなく、上層部のみを熱酸化させてSiO層54とし、Si層53の下層部はSiのままにする。これにより、K+イオンが内部に浸透した酸化膜であるSiO層54が、Si層53の表面に形成される。SiO層52は第1のSiO層に、SiO層54は第2のSiO層に相当する。 When manufacturing the electret substrate 50, first, as shown in FIG. 1B, the Si layer 53 on the surface of the SOI substrate 50 'is thermally oxidized in an atmosphere containing K + ions (potassium ions) to contain K + ions. The SiO 2 layer 54 to be formed is formed on the Si layer 53 (thermal oxidation step). In the thermal oxidation, the SOI substrate 50 'is placed in a thermal oxidation furnace, and nitrogen gas is passed through an aqueous solution of potassium hydroxide (KOH) (bubbling) to introduce KOH vapor and nitrogen gas into the furnace. It is performed by At this time, only the upper layer, not the entire thickness of the Si layer 53, is thermally oxidized to form the SiO 2 layer 54, and the lower layer of the Si layer 53 remains Si. Thereby, an SiO 2 layer 54, which is an oxide film into which K + ions have penetrated, is formed on the surface of the Si layer 53. The SiO 2 layer 52 corresponds to a first SiO 2 layer, and the SiO 2 layer 54 corresponds to a second SiO 2 layer.

続いて、図1(C)に示すように、SiO層54の上方に負極55を設置し、Si層53を正極(GND)に接続して、例えばヒーターで加熱しながら1000V程度の電圧をSiO層54に印加することにより、SiO層54を帯電させる(帯電工程)。これにより、SiO層54内のK+イオンはSiO層54の上面に移動し、その上面からSOI基板50’の外部に飛散するので、SiO層54の上面には負電荷が残り、結果としてSiO層54は負に帯電する。下側のSiO層52は絶縁層であるため、帯電時には、Siの基台51ではなく、SiO層52の上側にあるSi層53を正極とする。なお、Si層53は厚さが例えば数μmと薄く、側面からGND用の電極端子を当てることが難しいので、電圧を印加するためには、上側のSiO層54にエッチングなどにより部分的に穴を開けて、上側からSi層53に電極端子が当てられる。 Subsequently, as shown in FIG. 1C, a negative electrode 55 is provided above the SiO 2 layer 54, the Si layer 53 is connected to the positive electrode (GND), and a voltage of about 1000 V is applied while heating with a heater, for example. by applying the SiO 2 layer 54, to charge the SiO 2 layer 54 (charging step). Thus, K + ions in the SiO 2 layer 54 is moved to the upper surface of the SiO 2 layer 54, since scattered from the upper surface to the outside of the SOI substrate 50 ', the upper surface of the SiO 2 layer 54 remains negative charge, results As a result, the SiO 2 layer 54 is negatively charged. Since the lower SiO 2 layer 52 is an insulating layer, the Si layer 53 above the SiO 2 layer 52 is used as a positive electrode instead of the Si base 51 during charging. Since the Si layer 53 has a small thickness of, for example, several μm and it is difficult to apply a GND electrode terminal from the side surface, in order to apply a voltage, the upper SiO 2 layer 54 is partially etched by etching or the like. A hole is made and an electrode terminal is applied to the Si layer 53 from above.

以上の熱酸化工程と帯電工程により、図1(D)に示すエレクトレット基板50が完成する。エレクトレット基板50は、Siで構成された基台51と、基台51の上に形成されたSiO層52と、SiO層52の上に形成されたSi層53と、Si層53の上に形成されておりK+イオンを含有するSiO層(帯電層)54とを有する。エレクトレット基板50の使用時には、基台51が接地(GNDに接続)される。 By the above-described thermal oxidation step and charging step, the electret substrate 50 shown in FIG. 1D is completed. The electret substrate 50 includes a base 51 made of Si, a SiO 2 layer 52 formed on the base 51, a Si layer 53 formed on the SiO 2 layer 52, And a SiO 2 layer (charging layer) 54 containing K + ions. When the electret substrate 50 is used, the base 51 is grounded (connected to GND).

エレクトレット基板50では、図1(D)に示すように、2つのSiO層52,54をコンデンサの直列接続とみなすことができる。下側のSiO層52の静電容量をC1、上側のSiO層54の静電容量をC2とすると、基台51を接地としたときのSiO層54の表面電位Vは、C1とC2を直列に繋いだ合成容量Cによって決まる。すなわち、C=C1C2/(C1+C2)であるからC<C2であり、表面電位Vは、SiO層54の電荷量をQとすると、V=Q/C>Q/C2である。Si基板上にK+イオン含有のSiO層54を直接形成してエレクトレットを作製した場合の表面電位V2は、電荷量Qが同じであるとするとV2=Q/C2であるから、V>V2である。すなわち、SOI基板50’から作製されたエレクトレット基板50の表面電位は、Si基板から作製されたエレクトレットの表面電位と比べて大きくなる。 In the electret substrate 50, as shown in FIG. 1D, the two SiO 2 layers 52 and 54 can be regarded as a series connection of capacitors. When the capacitance of the lower SiO 2 layer 52 is C1 and the capacitance of the upper SiO 2 layer 54 is C2, the surface potential V of the SiO 2 layer 54 when the base 51 is grounded is C1. It is determined by the combined capacitance C in which C2 is connected in series. That is, since C = C1C2 / (C1 + C2), C <C2, and the surface potential V is V = Q / C> Q / C2, where Q is the charge amount of the SiO 2 layer 54. The surface potential V2 when the electret is manufactured by directly forming the K + ion-containing SiO 2 layer 54 on the Si substrate is V> V2 since V2 = Q / C2 when the charge amount Q is the same. is there. That is, the surface potential of the electret substrate 50 manufactured from the SOI substrate 50 ′ is higher than the surface potential of the electret manufactured from the Si substrate.

エレクトレットを駆動装置(モータ)または発電装置などの電気機械変換器に利用した場合の出力は、エレクトレットの表面電位の大きさに比例する。このため、電気機械変換器のエレクトレットとして上記のエレクトレット基板50を利用すれば、モータの発生力や発電装置の出力も大きくすることができる。   The output when the electret is used for an electromechanical converter such as a driving device (motor) or a power generator is proportional to the magnitude of the surface potential of the electret. Therefore, if the above-described electret board 50 is used as an electret of an electromechanical converter, the power generated by the motor and the output of the power generator can be increased.

エレクトレット基板50における上側のSiO層54の厚さは例えば1μm程度であり、この場合、下側のSiO層52の厚さは1μm以上あればよい。誘電率はSiO層52,54のどちらも同じであるから、同程度の厚さの絶縁層が2つあれば、全体の合成容量は上側のSiO層54が単独である場合よりも小さくなる。下側のSiO層52は厚い方がよいが、厚くしすぎると製造コストが高くなるため、実用上は、SiO層52の厚さの上限は20μm程度である。したがって、SiO層52の厚さは、SiO層54の厚さよりも大きく、1〜20μmの範囲内であることが好ましく、実用上は5μm程度であることが最も好ましい。また、Si層53の厚さは2〜数十μmの範囲内であればよく、数μm程度であることが好ましい。なお、基台51の厚さは200〜600μm程度あればよい。 The thickness of the upper SiO 2 layer 54 in the electret substrate 50 is, for example, about 1 μm, and in this case, the thickness of the lower SiO 2 layer 52 may be 1 μm or more. Since the dielectric constants of both the SiO 2 layers 52 and 54 are the same, if two insulating layers having the same thickness are used, the total combined capacitance is smaller than that when the upper SiO 2 layer 54 is used alone. Become. The lower SiO 2 layer 52 is preferably thicker, but if it is too thick, the manufacturing cost increases. Therefore, in practice, the upper limit of the thickness of the SiO 2 layer 52 is about 20 μm. Therefore, the thickness of the SiO 2 layer 52 is larger than the thickness of the SiO 2 layer 54, preferably in the range of 1 to 20 μm, and most preferably about 5 μm in practical use. Further, the thickness of the Si layer 53 may be in the range of 2 to several tens μm, and is preferably about several μm. In addition, the thickness of the base 51 may be about 200 to 600 μm.

なお、エレクトレット基板を製造するための正イオンは、必ずしもK+イオンでなくてもよい。すなわち、上記で説明した製造方法の熱酸化工程では、水酸化カリウム水溶液の代わりに、K+イオン以外の正イオンまたはアルカリイオンを含有する水溶液を用いてもよい。   Note that the positive ions for manufacturing the electret substrate do not necessarily have to be K + ions. That is, in the thermal oxidation step of the production method described above, an aqueous solution containing a positive ion or an alkali ion other than K + ions may be used instead of the aqueous potassium hydroxide solution.

エレクトレット基板50における下側のSiO層52は、1層に限らず、複数層であってもよい。例えば、基台51の上にSiO層とSi層が複数回交互に積層され、エレクトレット基板の上端に、K+イオンを含有するSiO層54が形成されていてもよい。この場合でも、1つのSiO層52の厚さを大きくしたのと同じ効果が得られるので、Si基板から作製された場合と比べて、エレクトレットの表面電位を大きくすることができる。 The lower SiO 2 layer 52 in the electret substrate 50 is not limited to one layer, and may be a plurality of layers. For example, the SiO 2 layer and the Si layer may be alternately stacked on the base 51 a plurality of times, and the SiO 2 layer 54 containing K + ions may be formed on the upper end of the electret substrate. Even in this case, the same effect as that obtained when the thickness of one SiO 2 layer 52 is increased can be obtained, so that the surface potential of the electret can be increased as compared with the case where the electret is manufactured from the Si substrate.

また、エレクトレット基板の製造には、SOI基板として、図1(A)のSOI基板50’の上にCYTOP(登録商標)などによる樹脂層が形成されたものを使用してもよい。この場合、上記の帯電工程では、SOI基板の上側のSi層をGNDとして、コロナ放電により帯電させてもよい。こうして製造されたエレクトレット基板でも、Siの基台をGNDとして使用すれば、エレクトレット基板50と同様に、Si基板から作製された場合と比べて表面電位が大きくなり、モータまたは発電機に利用した際の出力も大きくなる。   In the manufacture of the electret substrate, a SOI substrate in which a resin layer such as CYTOP (registered trademark) is formed on the SOI substrate 50 'in FIG. 1A may be used. In this case, in the charging step, the upper Si layer of the SOI substrate may be set to GND and charged by corona discharge. Even in the electret substrate manufactured in this way, if the Si base is used as GND, the surface potential becomes larger as compared with the case where the electret substrate is manufactured from the Si substrate, as in the case of the electret substrate 50. Output also increases.

以下では、エレクトレット基板50を利用した電気機械変換器の例を説明する。   Hereinafter, an example of an electromechanical converter using the electret substrate 50 will be described.

図2は、電気機械変換器1の概略構成図である。また、図3は、電気機械変換器1内のアクチュエータ10の斜視図である。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、主要な構成要素として、回転軸11、回転部材12、固定基板13、エレクトレット部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、エレクトレット部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(モータ)である。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the electromechanical converter 1. FIG. 3 is a perspective view of the actuator 10 in the electromechanical converter 1. The electromechanical converter 1 has an actuator 10 and a driving unit 20. The actuator 10 has, as main components, a rotating shaft 11, a rotating member 12, a fixed substrate 13, an electret portion 14, and opposed electrodes 15, 16. The electromechanical converter 1 uses the electrostatic force between the electret unit 14 and the counter electrodes 15 and 16 to rotate the rotating member 12 based on the electric signal input to the driving unit 20, thereby converting power from electric power. It is a driving device (motor) for taking out power.

回転軸11は、可動支持部の一例であり、回転部材12の回転中心となる軸である。その上下端は、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。   The rotation shaft 11 is an example of a movable support portion, and is a shaft that serves as a rotation center of the rotation member 12. The upper and lower ends are fixed to a housing of the electromechanical converter 1 (not shown) via bearings.

回転部材12は、可動部材の一例であり、金属、ガラスまたはシリコン基板などの周知の基板材料で構成される。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。回転部材12は、駆動部20に入力された電気信号に応じてエレクトレット部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3の矢印C方向(すなわち、時計回りおよび反時計回り)に回転可能である。回転部材12には、重量を軽くするために、円周方向に沿って等間隔に、略台形状の複数の貫通孔122が形成されている。   The rotating member 12 is an example of a movable member, and is made of a known substrate material such as a metal, glass, or silicon substrate. The rotating member 12 has, for example, a disk shape, and is connected to the rotating shaft 11 at the center. The rotating member 12 moves around the rotating shaft 11 in a direction indicated by an arrow C in FIG. 3 by an electrostatic force generated between the electret portion 14 and the opposing electrodes 15 and 16 in response to an electric signal input to the driving portion 20 (in the direction of arrow C in FIG. That is, it can rotate clockwise and counterclockwise). A plurality of substantially trapezoidal through holes 122 are formed in the rotating member 12 at equal intervals along the circumferential direction in order to reduce the weight.

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た部材である。固定基板13は、例えば円板状の形状を有し、回転部材12の下側で回転部材12に対向して配置され、その中心を回転軸11が貫通している。ただし、固定基板13は、回転部材12とは異なり、回転可能な部材ではなく、電気機械変換器1の筐体に対して固定されている。   The fixed substrate 13 is a member made of a known substrate material such as a glass epoxy substrate. The fixed substrate 13 has, for example, a disk-like shape, is arranged below the rotating member 12 so as to face the rotating member 12, and the rotating shaft 11 passes through the center thereof. However, unlike the rotating member 12, the fixed substrate 13 is not a rotatable member, but is fixed to the housing of the electromechanical converter 1.

エレクトレット部14は、帯電層を備えた帯電部の一例であり、固定基板13に対向する回転部材12の下面121に形成されている。アクチュエータ10では、回転部材12の下面121に、略台形状の複数のエレクトレット部14が、略台形状の貫通孔122を間に挟んで、回転部材12の回転方向に間隔を空けて回転軸11の周りに等間隔に配置されている。各エレクトレット部14は、図1(D)に示したエレクトレット基板50で構成されており、SiO層54が対向電極15,16に対向するように配置され、基台51が接地されている。 The electret portion 14 is an example of a charging portion provided with a charging layer, and is formed on the lower surface 121 of the rotating member 12 facing the fixed substrate 13. In the actuator 10, a plurality of substantially trapezoidal electret portions 14 are provided on the lower surface 121 of the rotating member 12 with a substantially trapezoidal through-hole 122 interposed therebetween and spaced apart in the rotating direction of the rotating member 12. Are arranged at equal intervals. Each electret portion 14 is constituted by the electret substrate 50 shown in FIG. 1D, the SiO 2 layer 54 is arranged so as to face the counter electrodes 15 and 16, and the base 51 is grounded.

対向電極15,16は、回転部材12に対向する固定基板13の上面131に形成されている。アクチュエータ10では、固定基板13の上面131に、エレクトレット部14と同じ略台形状の対向電極15,16が、回転軸11の周りに交互に配置されている。エレクトレット部14と対向電極15の個数、およびエレクトレット部14と対向電極16の個数は、それぞれ同じである。   The counter electrodes 15 and 16 are formed on the upper surface 131 of the fixed substrate 13 facing the rotating member 12. In the actuator 10, the substantially trapezoidal counter electrodes 15 and 16, which are the same as the electret portions 14, are alternately arranged around the rotation axis 11 on the upper surface 131 of the fixed substrate 13. The number of the electret portions 14 and the counter electrodes 15 and the number of the electret portions 14 and the counter electrodes 16 are the same.

なお、エレクトレット部14は回転部材12と固定基板13のいずれか一方に配置し、対向電極15,16は回転部材12と固定基板13のうちの他方に配置すればよい。このため、上記とは逆に、エレクトレット部14を固定基板13の上面131に配置し、対向電極15,16を回転部材12の下面121に配置してもよい。   Note that the electret portion 14 may be disposed on one of the rotating member 12 and the fixed substrate 13, and the counter electrodes 15 and 16 may be disposed on the other of the rotating member 12 and the fixed substrate 13. Therefore, conversely, the electret portion 14 may be disposed on the upper surface 131 of the fixed substrate 13 and the opposing electrodes 15 and 16 may be disposed on the lower surface 121 of the rotating member 12.

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。駆動部20は、極性が交互に切り替わる電圧を複数の対向電極15,16に印加して、複数のエレクトレット部14と複数の対向電極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 drive unit 20 is a circuit for driving the actuator 10 and includes a clock 21 and comparators 22 and 23. The driving unit 20 applies a voltage whose polarity is alternately switched to the plurality of opposed electrodes 15 and 16, and causes the rotating member 12 to generate electrostatic force generated between the plurality of electret units 14 and the plurality of opposed electrodes 15 and 16. Rotate.

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の出力は複数の対向電極15に、比較器23の出力は複数の対向電極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。こうして、極性が交互に切り替わる電圧を駆動部20が対向電極15と対向電極16の間に印加することにより、回転部材12を回転させることができる。   The output of the clock 21 is connected to the inputs of the comparators 22 and 23, the output of the comparator 22 is connected to the plurality of counter electrodes 15, and the output of the comparator 23 is connected to the plurality of counter electrodes 16 via electric wiring. ing. Each of the comparators 22 and 23 compares the potential of the input signal from the clock 21 with the ground potential and outputs the result in binary, but the output signals of the comparators 22 and 23 have opposite signs. When the input signal from the clock 21 is H, the counter electrode 15 has a potential of + V and the counter electrode 16 has a potential of −V. When the input signal is L, the counter electrode 15 has a potential of −V and the counter electrode 16 has a potential of + V. Become. In this manner, the driving member 20 applies the voltage whose polarity is alternately switched between the counter electrode 15 and the counter electrode 16, so that the rotating member 12 can be rotated.

図4は、エレクトレット基板50における下側のSiO層52の厚さと電気機械変換器1で発生する力の大きさとの関係を示すグラフである。グラフの横軸dはSiO層52の厚さ(μm)を表し、グラフの縦軸Fは、駆動部20でアクチュエータ10を駆動したときに回転部材12の回転方向に発生する力の大きさ(mN)を表す。このグラフは、SiO層52の厚さdを0〜5μmの範囲内で変化させたときの発生力Fの変化をシミュレーションにより計算した結果を示す。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of the lower SiO 2 layer 52 in the electret substrate 50 and the magnitude of the force generated in the electromechanical converter 1. The horizontal axis d of the graph represents the thickness (μm) of the SiO 2 layer 52, and the vertical axis F of the graph represents the magnitude of the force generated in the rotation direction of the rotating member 12 when the actuator 10 is driven by the driving unit 20. (MN). This graph shows the result of calculating by simulation the change in the generated force F when the thickness d of the SiO 2 layer 52 is changed in the range of 0 to 5 μm.

図4に示すように、SiO層52がある(厚さdが0μmよりも大きい)と、Si基板上にK+イオン含有のSiO層54を直接形成してエレクトレットを作製した場合(厚さdが0μmである場合)よりも、発生力Fは大きくなる。そして、発生力Fは、SiO層52の厚さdが0〜5μmの範囲内では、厚さdに比例し、厚さdとともに増加する。なお、詳細は図示しないが、SiO層52の厚さが大きくなると、アクチュエータ10の回転軸11方向の引っ張り力も強くなり、軸受けとの間の摩擦力が発生するため、厚さdと発生力Fの関係は単純な比例関係ではなくなる。 As shown in FIG. 4, when the SiO 2 layer 52 is present (the thickness d is larger than 0 μm), the K + ion-containing SiO 2 layer 54 is directly formed on the Si substrate to produce an electret (thickness: The generated force F is larger than in the case where d is 0 μm. The generated force F is proportional to the thickness d and increases with the thickness d when the thickness d of the SiO 2 layer 52 is in the range of 0 to 5 μm. Although not shown in detail, as the thickness of the SiO 2 layer 52 increases, the tensile force of the actuator 10 in the direction of the rotation axis 11 also increases, and a frictional force is generated between the actuator 10 and the bearing. The relationship of F is no longer a simple proportional relationship.

図5は、他の電気機械変換器2の概略構成図である。また、図6は、電気機械変換器2内の発電部10’の斜視図である。電気機械変換器2は、発電部10’および蓄電部30を有する。発電部10’は、主要な構成要素として、回転軸11、回転部材12、固定基板13、複数のエレクトレット部14、複数の対向電極15,16および回転錘17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10’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である。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram of another electromechanical converter 2. FIG. 6 is a perspective view of the power generation unit 10 ′ in the electromechanical converter 2. The electromechanical converter 2 has a power generation unit 10 ′ and a power storage unit 30. The power generation unit 10 ′ includes a rotating shaft 11, a rotating member 12, a fixed substrate 13, a plurality of electret units 14, a plurality of opposed electrodes 15 and 16, and a rotating weight 17 as main components. The electromechanical converter 2 is a power generation device that extracts power from power by rotating the rotating member 12 using kinetic energy of an external environment and generating static electricity by electrostatic induction in the power generation unit 10 ′.

発電部10’の構成要素のうち、回転軸11、回転部材12、固定基板13、エレクトレット部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。電気機械変換器1と共通するこれらの構成要素についての重複する説明は省略する。電気機械変換器2は、電気機械変換器1のアクチュエータ10に代えて蓄電部30を有し、電気機械変換器2の対向電極15,16は、それぞれ電気配線を介して蓄電部30に接続されている。   Among the components of the power generation unit 10 ′, the rotating shaft 11, the rotating member 12, the fixed substrate 13, the electret unit 14, and the counter electrodes 15 and 16 are the same as those of the actuator 10. A duplicate description of these components common to the electromechanical converter 1 will be omitted. The electromechanical converter 2 has a power storage unit 30 instead of the actuator 10 of the electromechanical converter 1, and the counter electrodes 15 and 16 of the electromechanical converter 2 are connected to the power storage unit 30 via electric wires, respectively. ing.

回転錘17は、回転軸11の周りを図6の矢印C方向に回転可能な、重量バランスの偏りを有する錘であり、回転部材12の上側に配置されている。回転錘17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によって回転駆動されることで、回転部材12を矢印C方向に回転させる。なお、回転軸11に回転錘17を取り付ける代わりに、回転部材12に錘を取り付けて、回転部材12自体を回転錘としてもよい。   The rotating weight 17 is a weight having a bias in weight balance, which is rotatable around the rotating shaft 11 in the direction of arrow C in FIG. 6, and is disposed above the rotating member 12. The oscillating weight 17 rotates the rotating member 12 in the direction of arrow C, for example, by being rotationally driven by the motion of a human body carrying the electromechanical transducer 2 or the vibration of a machine to which the electromechanical transducer 2 is attached. Instead of attaching the rotating weight 17 to the rotating shaft 11, a weight may be attached to the rotating member 12, and the rotating member 12 itself may be used as the rotating weight.

回転錘17が回転駆動されると、それに伴い、回転部材12が回転して、エレクトレット部14と対向電極15,16の間の重なり面積が増減する。例えば、エレクトレット部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10’は静電誘導を利用した発電を行う。   When the rotary weight 17 is driven to rotate, the rotary member 12 rotates accordingly, and the overlapping area between the electret portion 14 and the opposing electrodes 15, 16 increases or decreases. For example, if a negative charge is held on the inner surface of the electret portion 14, the positive charge attracted to the counter electrodes 15 and 16 increases and decreases with the rotation of the rotating member 12, so that the space between the counter electrode 15 and the counter electrode 16 is increased. , An alternating current is generated. By generating a current in this way, the power generation unit 10 'generates power using electrostatic induction.

蓄電部30は、整流回路31および二次電池32を有し、回転部材12の回転に応じて複数のエレクトレット部14と複数の対向電極15,16との間で静電誘導により発生した電力を蓄積する。対向電極15と対向電極16からの出力は整流回路31に接続され、整流回路31は二次電池32に接続されている。整流回路31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32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 power storage unit 30 includes a rectifier circuit 31 and a secondary battery 32, and generates electric power generated by electrostatic induction between the plurality of electret units 14 and the plurality of opposed electrodes 15 and 16 according to the rotation of the rotating member 12. accumulate. Outputs from the counter electrode 15 and the counter electrode 16 are connected to a rectifier circuit 31, and the rectifier circuit 31 is connected to a secondary battery 32. The rectifier circuit 31 is a bridge-type circuit having four diodes, and rectifies the current generated between the counter electrode 15 and the counter electrode 16. The secondary battery 32 is a chargeable / dischargeable battery such as a lithium secondary battery, stores power generated by the power generation unit 10 ', and supplies the power to a circuit to be driven (not shown).

図7(A)〜図7(C)は、さらに他の電気機械変換器3の概略構成図である。電気機械変換器3は、アクチュエータ40および駆動部20’を有する。アクチュエータ40は、主要な構成要素として、筐体41、固定基板42、スライド板43、複数のエレクトレット部44および複数の対向電極45を有する。電気機械変換器3は、駆動部20’に入力された電気信号をもとに、エレクトレット部44と対向電極45との間の静電気力を利用してスライド板43をスライド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。図7(B)および図7(C)は、エレクトレット部44および対向電極45の配置、ならびにスライド板43の移動方向を示す平面図である。   7A to 7C are schematic configuration diagrams of still another electromechanical converter 3. The electromechanical transducer 3 has an actuator 40 and a driving unit 20 '. The actuator 40 has, as main components, a housing 41, a fixed substrate 42, a slide plate 43, a plurality of electret portions 44, and a plurality of opposed electrodes 45. The electromechanical transducer 3 uses the electrostatic force between the electret unit 44 and the counter electrode 45 to slide the slide plate 43 based on the electric signal input to the drive unit 20 ′, thereby providing power. This is a driving device that extracts power from the vehicle. FIGS. 7B and 7C are plan views showing the arrangement of the electret portion 44 and the counter electrode 45, and the moving direction of the slide plate 43. FIG.

図7(A)に示すように、固定基板42は、箱型の筐体41の底面に配置されている。スライド板43は、可動部材の一例であり、筐体41内において、図示しない可動支持部により支持され、固定基板42の上方で水平方向に移動可能である。エレクトレット部44は、帯電部の一例であり、図7(A)〜図7(C)に示すように、スライド板43の底面に、その移動方向(矢印A方向)に間隔を空けて,その移動方向と直交する方向に帯状に形成されている。エレクトレット部44も、図1(D)に示したエレクトレット基板50で構成されており、SiO層54が対向電極15,16に対向するように配置され、基台51が接地されている。対向電極45は、固定基板42の上面に、各エレクトレット部44と平行に帯状に形成されている。 As shown in FIG. 7A, the fixed substrate 42 is disposed on the bottom surface of the box-shaped housing 41. The slide plate 43 is an example of a movable member. The slide plate 43 is supported by a movable support (not shown) in the housing 41 and can move in a horizontal direction above the fixed substrate 42. The electret unit 44 is an example of a charging unit. As shown in FIGS. 7A to 7C, the electret unit 44 is provided on the bottom surface of the slide plate 43 at intervals in the moving direction (the direction of arrow A). It is formed in a belt shape in a direction orthogonal to the moving direction. The electret portion 44 is also composed of the electret substrate 50 shown in FIG. 1D, the SiO 2 layer 54 is arranged so as to face the counter electrodes 15 and 16, and the base 51 is grounded. The counter electrode 45 is formed in a band shape on the upper surface of the fixed substrate 42 in parallel with each electret portion 44.

駆動部20’は、アクチュエータ40を駆動するための回路であり、複数の対向電極45に電気配線を介して接続されている。駆動部20’は、電気機械変換器1の駆動部20と同様の構成を有し、極性が交互に切り替わる電圧を複数の対向電極45に印加することにより、図7(B)および図7(C)に示すように、スライド板43を筐体41内で水平方向(矢印A方向)にスライド移動させる。電気機械変換器の可動部材は、電気機械変換器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43のようにスライド移動するものであってもよい。   The drive section 20 'is a circuit for driving the actuator 40, and is connected to the plurality of counter electrodes 45 via electric wiring. The drive unit 20 ′ has a configuration similar to that of the drive unit 20 of the electromechanical converter 1, and applies a voltage whose polarity is switched alternately to the plurality of counter electrodes 45, thereby forming the drive unit 20 ′ in FIG. 7B and FIG. As shown in C), the slide plate 43 is slid in the housing 41 in the horizontal direction (the direction of arrow A). The movable member of the electromechanical converter is not limited to the one that rotates like the rotating member 12 of the electromechanical converters 1 and 2, but may be one that slides like the slide plate 43 of the electromechanical converter 3. Good.

1,2,3 電気機械変換器
10,40 アクチュエータ
10’ 発電部
11 回転軸
12 回転部材
13 固定基板
14,44 エレクトレット部
15,16,45 対向電極
20,20’ 駆動部
30 蓄電部
50 エレクトレット基板
51 基台
52,54 SiO
53 Si層
1, 2, 3 Electromechanical converter 10, 40 Actuator 10 'Power generation unit 11 Rotary shaft 12 Rotary member 13 Fixed substrate 14, 44 Electret unit 15, 16, 45 Counter electrode 20, 20' Driving unit 30 Power storage unit 50 Electret substrate 51 base 52,54 SiO 2 layer 53 Si layer

Claims (1)

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、
可動支持部とともに移動可能な可動部材と、
前記可動部材に対向して固定配置された固定基板と、
前記可動部材と前記固定基板のうちの一方の同一面上に、前記可動部材の移動方向に間隔を空けて前記移動方向に配置された複数の帯電部と、
前記可動部材と前記固定基板のうちの他方における前記複数の帯電部に対向する面上に、前記移動方向に配置された複数の対向電極と、を有し、
前記複数の帯電部のそれぞれが、
導電性材料で構成された基台、
前記基台の上に形成され、絶縁性材料で構成された第1の絶縁層、
前記第1の絶縁層の上に形成され、導電性材料で構成された導電層、および
前記導電層の上に形成された帯電層
を有し、前記導電層は接地されず前記基台が接地されている
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 an electrostatic interaction between a charging unit and a counter electrode,
A movable member movable with the movable support portion,
A fixed substrate fixedly arranged facing the movable member,
On the same surface of one of the movable member and the fixed substrate, a plurality of charging units arranged in the moving direction at intervals in the moving direction of the movable member,
On a surface of the other of the movable member and the fixed substrate facing the plurality of charging portions, a plurality of counter electrodes arranged in the moving direction,
Each of the plurality of charging units,
A base made of a conductive material,
A first insulating layer formed on the base and made of an insulating material;
A conductive layer formed of a conductive material and formed on the first insulating layer; and a charging layer formed on the conductive layer , wherein the conductive layer is not grounded and the base is grounded. An electromechanical converter characterized by being performed.
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