JP6832690B2 - 電気機械変換器 - Google Patents

Description

本発明は、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帯電部として利用し、帯電部とそれに対向する対向電極との間の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。こうした電気機械変換器では、一般に、可動部材と固定基板の一方に帯電部が、他方に対向電極がそれぞれ配置され、帯電部と対向電極は、可動部材の移動方向にパターン化されている。

例えば、特許文献１には、エレクトレットと、第一対向電極と、第二対向電極とを備え、エレクトレットは、厚さ方向に沿った分極方向が第一の方向となる第一の領域と、厚さ方向に沿った分極方向が第一の方向と反対の第二の方向となる第二の領域とを有し、第一の領域と第二の領域とは、厚さ方向と直交する表面である主面と平行な方向である主面方向に沿って互いに隣接するように設けられ、第一対向電極と第二対向電極とは、エレクトレットの両面にそれぞれ設けられている静電誘導型機械電気変換素子が記載されている。

特許文献２には、表面に電荷を保持し、連続して繋がって形成されたエレクトレット膜が配置された第１の基板と、エレクトレット膜と対向する表面に集電電極が配置された第２の基板と、第１の基板と第２の基板との間に配置され、第１の基板および第２の基板に対し所定の方向に移動可能に支持された導電性を有する可動基板とを備える微小電気機械発電器が記載されている。この微小電気機械発電器では、可動基板は、第１の基板側から第２の基板側に向けて貫通し、エレクトレット膜から放射される電界を通す開口部を有し、可動基板が移動することにより、開口部から集電電極に放射される電界の有無が生じ、電界の有無により、集電電極に電荷が励起したり放電したりすることによって発電する。

特開２０１３−１１５９２１号公報 国際公開第２０１３／０８８６４５号

帯電部と対向電極が可動部材の移動方向にパターン化された電気機械変換器では、特に可動部材の大きさを小さくすると、個々の帯電部および対向電極の幅（パターン幅）も小さくなる。帯電部と対向電極との間の静電的な相互作用により発生する駆動力（発生力）または電力は、パターン幅の減少に伴い急激に低下するため、小型の電気機械変換器（可動部材）では十分な出力が得られないという不具合がある。

そこで、本発明は、可動部材を小型にしても出力が低下しにくい電気機械変換器を提供することを目的とする。

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、固定基板と、固定基板との間で一定の距離を保って移動可能であり、少なくとも固定基板との対向面において移動方向に間隔を空けて形成された複数の溝部を有する導電性の可動部材と、固定基板の可動部材との対向面において可動部材の移動方向に間隔を空けて形成された複数の対向電極と、可動部材を挟んで固定基板とは反対側に配置され、可動部材とともに複数の対向電極に対して移動可能な帯電部と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。

上記の電気機械変換器では、帯電部は、可動部材の固定基板とは反対側の面に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、可動部材の固定基板とは反対側の面は凹凸が形成されていない平坦面であり、帯電部は、複数の部分領域に分かれることなく、複数の対向電極の形成位置に対応する可動部材上の領域全体を覆うように一体的に形成されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、可動部材は、可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、複数の溝部と複数の対向電極は、それぞれ回転軸を中心として放射状に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、可動部材は、固定基板に平行な方向に往復移動可能であり、複数の溝部と複数の対向電極は、それぞれ可動部材の移動方向に垂直に延びる直線状の形状を有することが好ましい。

上記の電気機械変換器では、固定基板とは反対側において可動部材に対向するように配置され、可動部材とともに複数の対向電極に対して移動可能な第２の可動部材をさらに有し、帯電部は、第２の可動部材の可動部材との対向面に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、帯電部は、複数の部分領域に分かれることなく、複数の対向電極の形成位置に対応する第２の可動部材上の領域全体を覆うように一体的に形成されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、可動部材の固定基板とは反対側の面は凹凸が形成されていない平坦面であり、帯電部は、複数の対向電極の側から見ると可動部材により覆い隠されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器では、可動部材および第２の可動部材は、可動部材および第２の可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、複数の溝部と複数の対向電極は、それぞれ回転軸を中心として放射状に配置されていることが好ましい。

上記の電気機械変換器によれば、可動部材を小型にしても、本構成を有しない場合と比べて出力が低下しにくい。

電気機械変換器１の概略構成図である。 アクチュエータ１０の模式的な斜視図および側面図である。 回転部材１２の底面図および端面図である。 比較例のアクチュエータ１００の模式的な端面図および回転部材１２０の上面図である。 回転部材１２，１２０のパターン幅とアクチュエータ１０，１００の発生力の大きさとの関係を示すグラフである。 他のアクチュエータ１０’の模式的な側面図である。 他のアクチュエータ１０Ａの端面図および回転部材１２Ａの上面図である。 他のアクチュエータ１０Ｂの端面図および回転部材１４の底面図である。 他のアクチュエータ１０Ｃの側面図および回転部材１２の上面図である。 他のアクチュエータ１０Ｃ’の模式的な側面図である。 電気機械変換器２の概略構成図である。 電気機械変換器３の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、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、主要な構成要素として、回転部材１２、固定基板１３、回転部材１４、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８を有する。図１では、アクチュエータ１０として、図の下から順に、固定基板１３の上面１３１、回転部材１２の下面１２２、および回転部材１４の下面１４２を並べて示している。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１５と対向電極１７，１８との間の静電気力を利用して回転部材１２，１４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側面図である。図２（Ａ）に示すように、アクチュエータ１０は、回転部材１４、回転部材１２および固定基板１３が図の上側からこの順に重ね合わされて構成される。図２（Ｂ）では、図示を簡単にするために、図の横方向が回転部材１２，１４および固定基板１３の円周方向（図２（Ａ）の矢印Ｃ方向）に相当するように変形された側面図を示している。

回転軸１１は、回転部材１２，１４の回転中心となる軸であり、図２（Ａ）に示すように、回転部材１２，１４および固定基板１３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。なお、図２（Ｂ）では、回転軸１１の図示を省略している。

回転部材１２は、可動部材の一例であり、例えばシリコン（Ｓｉ）などの導電性の基板材料で構成される。図２（Ａ）に示すように、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１５と対向電極１７，１８との間で発生する静電気力により、回転軸１１の周りを、円周方向である図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。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。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、それぞれ、回転部材１２の底面図および端面図である。図３（Ａ）は回転部材１２の下面１２２を示し、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＩＩＩＢ−ＩＩＩＢ線に沿った回転部材１２の切断面を示す。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、回転部材１２の下面１２２（下側の固定基板１３との対向面）には、複数の凹部１２５（溝部の一例）および凸部１２６が、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に形成されている。図２（Ｂ）に示すように、凹部１２５は固定基板１３に対して窪んだ部分であり、凸部１２６は固定基板１３に向けて突出した部分であり、凹部１２５同士および凸部１２６同士は、円周方向に間隔を空けて形成されている。凹部１２５における回転部材１２と固定基板１３との間の距離ｄ１よりも、凸部１２６における回転部材１２と固定基板１３との間の距離ｄ２の方が小さい。凹部１２５同士および凸部１２６同士はそれぞれ等間隔に配置されており、回転軸１１を中心とする同一円周上では、凹部１２５と凸部１２６の幅は同じである。

一方、回転部材１２の上面１２１（固定基板１３とは反対側の面、回転部材１４との対向面）は、凹凸が形成されていない平坦面である。すなわち、回転部材１２は、下側の固定基板１３との対向面のみに、凹凸（溝部）が形成されている。また、回転部材１２の下面１２２において回転軸１１を取り囲む円環状の中央部１２１ｃは、凹凸が形成されていない平坦な領域である。

回転部材１２は、例えば、円板状のシリコン基板の片面に対して深掘りエッチングまたはブラスト加工などを行って、凹部１２５の部分を削り取ることで作製される。あるいは、回転部材１２は、平坦な円板状の部材と、凸部１２６のパターンが形成された部材とを別々に用意し、それらを貼り合わせて作製してもよい。また、回転部材１２の材質は金属であってもよい。あるいは、回転部材１２は、上記した凹部１２５および凸部１２６を有する形状に絶縁体を加工し、その表面全体を導電性部材で被覆して作製してもよい。

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、例えば円板状の形状を有し、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の筐体に対して固定されている。

対向電極１７，１８は、図１に示すように、それぞれ略台形の複数の電極で構成され、固定基板１３の上面１３１（回転部材１２の下面１２２との対向面）において、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする放射状に形成されている。対向電極１７同士および対向電極１８同士は、回転部材１２の凹部１２５および凸部１２６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１７および対向電極１８の幅は同じであり、その大きさは凹部１２５および凸部１２６の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、回転部材１２の凸部１２６ならびに固定基板１３の対向電極１７および対向電極１８の個数も同じであることが好ましい。

回転部材１４は、第２の可動部材の一例であり、例えばガラス基板またはシリコン基板で構成された平坦な基板である。図２（Ａ）に示すように、回転部材１４は、例えば円板状の形状を有し、固定基板１３とは反対側において、回転部材１２の上面１２１に対向して回転部材１２の上側に配置され、その中心で回転軸１１に接続している。回転部材１４は、回転軸１１の周りを、回転部材１２とともに図２（Ａ）の矢印Ｃ方向に回転可能であり、回転することにより対向電極１７，１８に対して相対移動する。例えば、回転部材１４の直径は５〜２０ｍｍ程度であり、厚さは１００〜５００μｍ程度であり、回転部材１４は回転部材１２と同じ大きさを有する。なお、図示した例では、回転部材１４は回転部材１２との間に間隔を空けて配置されているが、例えば絶縁体（誘電体）を挟んで回転部材１２と回転部材１４を一体に構成してもよい。

エレクトレット部１５は、例えば負電荷を保持する帯電部であり、回転部材１４の下面１４２（回転部材１２の上面１２１との対向面）に形成されている。すなわち、エレクトレット部１５は、回転部材１２とは別部材であり回転部材１２を挟んで固定基板１３とは反対側に配置された回転部材１４において、対向電極１７，１８とは直接対向しない位置に配置されている。アクチュエータ１０では、回転部材１２にはエレクトレットが形成されておらず、エレクトレット部１５は、対向電極１７，１８の側から見ると、回転部材１２により覆い隠されている。エレクトレット部１５は、回転部材１４に配置されているので、回転部材１４とともに回転し、対向電極１７，１８に対して相対移動する。

また、エレクトレット部１５は、回転部材１４上において、回転軸１１を中心とする、固定基板１３上で対向電極１７，１８が配置された円形領域とほぼ同じ大きさの円形領域を覆い尽くすように形成されている。言い換えると、エレクトレット部１５は、円周方向に間隔が空いた複数の部分領域には分かれておらず、対向電極１７，１８の形成位置に対応する回転部材１４上の領域全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。なお、回転部材１４上の円形領域にはエレクトレット部１５がない領域があってもよいが、エレクトレット部１５が発生させる電界を強くするためには、エレクトレット部１５は円形領域の全面にベタで形成されていることが好ましい。

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。駆動部２０は、極性が交互に切り替わる交番電圧を対向電極１７，１８に印加して、複数のエレクトレット部１５と対向電極１７，１８の間で発生する静電気力により、回転部材１２，１４を回転させる。

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１７に、比較器２３の出力は対向電極１８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１７は＋Ｖ、対向電極１８は−Ｖの電位になり、入力信号がＬのときには、対向電極１７は−Ｖ、対向電極１８は＋Ｖの電位になる。

アクチュエータ１０では、回転部材１２が導電性部材で構成されているので、回転部材１４上のエレクトレット部１５が作る電界が導電性の回転部材１２に伝わり、回転部材１２の表面は同電位になる。さらに、回転部材１２の下面１２２には凹凸パターンが形成されているため、回転部材１２の下面１２２と固定基板１３上の対向電極１７，１８との間の距離に応じて、対向電極１７，１８に作用する電界の強さが変化する。このため、回転部材１２とは別部材である回転部材１４にエレクトレット部１５が配置されていても、回転部材１２の凸部１２６上にエレクトレットが形成されているのと同様の状態が実現される。電気機械変換器１は、対向電極１７，１８に電圧を印加したときに、回転部材１２が作る電界により回転部材１２の凸部１２６と対向電極１７，１８との間で発生する静電気力を利用する。

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１７にエレクトレット部１５の帯電と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極１８にエレクトレット部１５の帯電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、回転部材１２が作る電界と対向電極１７，１８が作る電界との相互作用により、回転部材１２の凸部１２６と対向電極１７，１８との間に引力または斥力が発生する。駆動部２０が交番電圧を対向電極１７，１８に印加することにより、回転部材１２には連続した力が加わるため、回転部材１２を回転させることができ、回転部材１２とともに回転部材１４も回転する。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、それぞれ、比較例のアクチュエータ１００の模式的な端面図、および回転部材１２０の上面図である。アクチュエータ１００は、主要な構成要素として、回転部材１２０、固定基板１３０，１４０、エレクトレット部１５０，１６０および対向電極１７０，１８０を有する。アクチュエータ１００は、円板状の回転部材１２０が２枚の固定基板１３０，１４０に挟まれて構成され、回転部材１２０は、その中心を通る回転軸１１０の周りに回転可能である。アクチュエータ１００では、アクチュエータ１０とは異なり、回転部材１２０の上側に配置されている固定基板１４０は回転可能ではない。図４（Ａ）は、図４（Ｂ）のＩＶＡ線に沿って回転部材１２０およびその上下の固定基板１３０，１４０を切断したときの切断面を示す。

図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、回転部材１２０には、上面にエレクトレット部１６０が、下面にエレクトレット部１５０が、それぞれ円周方向に等間隔、かつ回転軸１１０を中心として放射状に配置されている。また、回転部材１２０では、重量を軽くするために、エレクトレット部１５０，１６０が形成されていない部分に、円周方向に沿って等間隔に、略台形状の複数の貫通孔（スリット）１２８が形成されている。アクチュエータ１００では、回転部材１２０の上下に配置された固定基板１３０，１４０の両方において、対向電極１７０，１８０が、円周方向に交互に、かつ回転軸１１０を中心とする放射状に形成されている。すなわち、アクチュエータ１００では、回転部材１２０の下面側にエレクトレット部１５０と対向電極１７０，１８０の組が、回転部材１２０の上面側にエレクトレット部１６０と対向電極１７０，１８０の組が、それぞれ対向して配置されている。

図５は、回転部材１２，１２０のパターン幅とアクチュエータ１０，１００の発生力の大きさとの関係を示すグラフである。グラフの横軸は、回転部材１２，１２０のパターン幅ｄ（単位μｍ）であり、アクチュエータ１０では、回転軸１１を中心とする円周上における凸部１２６の幅に、アクチュエータ１００では、回転軸１１０を中心とする円周上におけるエレクトレット部１５０，１６０の幅に、それぞれ相当する。また、グラフの縦軸は、特定のパターン幅で配置された凸部１２６と対向電極１７，１８またはエレクトレット部１５０，１６０と対向電極１７０，１８０との間の静電的な相互作用により発生する回転方向の駆動力（発生力）の大きさＦ（単位ｍＮ／ｍ）である。

図５では、アクチュエータ１０，１００の両方とも、回転部材１２，１２０の最下面と固定基板１３，１３０の上面との間の距離を７０μｍとした場合の結果を示している。曲線ａはアクチュエータ１０についてのグラフであり、曲線ｂはアクチュエータ１００についてのグラフである。この場合、得られる発生力は、パターン幅が７００〜１１００μｍの範囲では、アクチュエータ１０よりもアクチュエータ１００の方が大きいが、パターン幅が１００〜７００μｍの範囲では、アクチュエータ１０の方がアクチュエータ１００よりも大きい。

アクチュエータ１０では、凹凸のない平坦面である回転部材１４の上にエレクトレット部１５がベタで形成されているため、アクチュエータ１００のように対向電極と同じパターンでエレクトレット部を設けた場合と比べてエレクトレットの総量が多くなる。また、アクチュエータ１０では、回転部材１２に貫通孔（スリット）が形成されておらず、その分、エレクトレット部１５に対向する回転部材１２上の面積が広いため、アクチュエータ１００の回転部材１２０と比べて回転部材１２の電位が高くなる。このため、図５に示すように、アクチュエータ１０では、回転部材１２のパターン幅が１００〜７００μｍと狭い範囲において、アクチュエータ１００と比べて発生力の低下が少なくなる。したがって、アクチュエータ１０では、回転部材１２を小型にしてもアクチュエータ１００と比べて出力が低下しにくく、電気機械変換器の小型化に適している。

また、アクチュエータ１０では、平坦な回転部材１４上にエレクトレット部１５が配置されているため、貫通孔１２８を有する回転部材１２０上にエレクトレット部１５０，１６０が配置されたアクチュエータ１００と比べて、エレクトレット部の形成が容易である。また、アクチュエータ１０では、アクチュエータ１００と比べて回転軸の方向の発生力が小さいので、その分、回転軸と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。

図６は、他のアクチュエータ１０’の模式的な側面図である。アクチュエータ１０’は、アクチュエータ１０のものと同じ回転部材１２、固定基板１３、回転部材１４、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８に加えて、回転部材１２’、固定基板１３’およびエレクトレット部１６を有する。図６は、図２（Ｂ）と同様に、横方向が回転部材１２の円周方向に相当するように変形された側面図である。

回転部材１２’および固定基板１３’は、それぞれ回転部材１２および固定基板１３と同じものであり、回転部材１４を挟んで回転部材１２および固定基板１３と上下対称になるように、回転部材１４の上側に配置されている。回転部材１２，１２’，１４は、それらの中心で同じ回転軸（図２（Ａ）の回転軸１１に相当）に接続しており、その回転軸の周りに回転可能である。固定基板１３’にも、固定基板１３と同様に対向電極１７，１８が形成されている。また、エレクトレット部１６は、エレクトレット部１５と同じものであり、回転部材１４の上面にベタで形成されている。なお、図示した例では、回転部材１４は回転部材１２，１２’との間に間隔を空けて配置されているが、先に記載したように例えば絶縁体（誘電体）を挟んでそれぞれの回転部材１２，１２’と回転部材１４を一体に構成してもよい。

アクチュエータ１０’のように、回転部材１４の一方の面（下面）だけでなく他方の面（上面）にもエレクトレット部１６を形成し、エレクトレット部１６と対向するように他の回転部材１２’および固定基板１３’を配置してもよい。これにより、アクチュエータ１０と比べて、回転方向の発生力を容易に２倍に増やすことができる。

図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、それぞれ、他のアクチュエータ１０Ａの端面図、および回転部材１２Ａの上面図である。アクチュエータ１０Ａは、回転部材１２に替えて回転部材１２Ａを有する点のみが図２（Ｂ）のアクチュエータ１０とは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０と同一の構成を有する。図７（Ａ）は、図７（Ｂ）のＶＩＩＡ線に沿って回転部材１２Ａならびにその上下の固定基板１３および回転部材１４を切断したときの切断面を示す。

回転部材１２Ａには、図４（Ｂ）に示したアクチュエータ１００の回転部材１２０と同様に、円周方向に沿って等間隔に、略台形状の複数の貫通孔（スリット）１２８が形成されている。これにより、回転部材１２Ａでは、固定基板１３との対向面である下面だけでなく、固定基板１３とは反対側である上面１２１にも、円周方向に間隔を空けて複数の溝部が形成されている。アクチュエータ１０Ａでも、エレクトレット部１５は、回転部材１４の下面に配置されており、対向電極１７，１８の形成位置に対応する回転部材１４上の領域全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。なお、図示した例では、回転部材１４は回転部材１２Ａとの間に間隔を空けて配置されているが、先に記載したように、例えば絶縁体（誘電体）を挟んで回転部材１２Ａと回転部材１４を一体に構成してもよい。

アクチュエータ１０Ａでも、回転部材１２Ａの下面には貫通孔１２８により凹凸パターンが形成されているため、個々の対向電極１７，１８の上を貫通孔１２８が通過するときと、それ以外の部分が通過するときで、対向電極１７，１８に作用する電界の強さが変化する。このため、アクチュエータ１０Ａも、アクチュエータ１０と同様に、対向電極１７，１８に交番電圧を印加することにより回転部材１２Ａを回転させることができ、回転部材１２Ａとともに回転部材１４も回転する。

アクチュエータ１０Ａでも、回転部材１２Ａのパターン幅と発生力の大きさとの関係は、図５に示したアクチュエータ１０のグラフ（曲線ａ）と同じである。すなわち、回転部材１２のパターン幅が１００〜７００μｍと狭い範囲において、比較例のアクチュエータ１００と比べて発生力の低下が少なくなるので、回転部材１２Ａを小型にしても、アクチュエータ１００と比べて出力が低下しにくい。また、アクチュエータ１０Ａでも、アクチュエータ１０と同様に、エレクトレット部１５の形成が容易であり、回転軸１１と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。

図８（Ａ）および図８（Ｂ）は、それぞれ、他のアクチュエータ１０Ｂの端面図、およびアクチュエータ１０Ｂの回転部材１４の底面図である。アクチュエータ１０Ｂは、エレクトレット部１５に替えてエレクトレット部１５Ｂを有する点のみが図７（Ａ）のアクチュエータ１０Ａとは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０Ａと同一の構成を有する。図８（Ａ）は、図８（Ｂ）のＶＩＩＩＡ線に沿って回転部材１４、回転部材１２Ａおよび固定基板１３を切断したときの切断面を示す。

エレクトレット部１５Ｂは、アクチュエータ１０のエレクトレット部１５と同様に、回転部材１４の下面１４２に配置されている。ただし、エレクトレット部１５Ｂは、エレクトレット部１５とは異なり、回転部材１４の下面１４２全体にベタで形成されているのではなく、図８（Ｂ）に示すように、回転部材１４の円周方向に等間隔に、かつ回転軸１１を中心として放射状に配置されている。アクチュエータ１０Ｂのように、回転部材１２Ａの放射状のパターンと同様に、エレクトレット部も、全面ベタではなく、回転軸１１を中心とする放射状のパターンで形成されていてもよい。なお、図示した例では、回転部材１４は回転部材１２Ａとの間に間隔を空けて配置されているが、先に記載したように、例えば絶縁体（誘電体）を挟んで回転部材１２Ａと回転部材１４を一体に構成してもよい。

図８（Ａ）に示すように、アクチュエータ１０Ｂでは、回転部材１４のエレクトレット部１５Ｂと回転部材１２Ａの貫通孔１２８以外の部分（スポーク部分１２９）との円周方向の位置が揃った状態で、回転部材１２Ａ，１４はともに回転する。回転軸１１を中心とする同一円周上におけるエレクトレット部１５Ｂの幅とスポーク部分１２９の幅は必ずしも同じでなくてもよい。ただし、エレクトレット部１５Ｂを構成する略台形の帯電部と回転部材１２Ａのスポーク部分１２９の個数は同じであることが好ましい。

図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、それぞれ、他のアクチュエータ１０Ｃの側面図、およびアクチュエータ１０Ｃの回転部材１２の上面図である。アクチュエータ１０Ｃは、上記した回転部材１４を有していない点、およびエレクトレット部１５の配置位置のみが図２（Ｂ）のアクチュエータ１０とは異なり、その他の点ではアクチュエータ１０と同一の構成を有する。図９（Ａ）は、図２（Ｂ）と同様に、図の横方向が回転部材１２および固定基板１３の円周方向（図２（Ａ）の矢印Ｃ方向）に相当するように変形された側面図である。

アクチュエータ１０Ｃでは、エレクトレット部１５は、固定基板１３とは反対側の面である回転部材１２の上面１２１に配置されている。すなわち、アクチュエータ１０Ｃでも、エレクトレット部１５は、対向電極１７，１８とは直接対向しない位置に配置されており、対向電極１７，１８の側から見ると、回転部材１２により覆い隠されている。また、エレクトレット部１５は、対向電極１７，１８の形成位置に対応する回転部材１２上の領域全体を覆うように、一体的に（ベタで）形成されている。

アクチュエータ１０Ｃでも、回転部材１２のパターン幅と発生力の大きさとの関係は、図５に示したアクチュエータ１０のグラフ（曲線ａ）と同じである。すなわち、回転部材１２のパターン幅が１００〜７００μｍと狭い範囲において、比較例のアクチュエータ１００と比べて発生力の低下が少なくなるので、回転部材１２を小型にしてもアクチュエータ１００と比べて出力が低下しにくい。また、アクチュエータ１０Ｃでも、アクチュエータ１０と同様に、エレクトレット部１５の形成が容易であり、回転軸１１と軸受けとの間に生じる摩擦力も少なく済む。

さらに、アクチュエータ１０Ｃでは、回転部材１２の上面に直接エレクトレット部１５が形成されているため、回転部材１２とエレクトレット部１５との間が空いているアクチュエータ１０と比べて、回転部材１２が作る電界が強くなり、その分発生力も強くなる。また、アクチュエータ１０Ｃでは、アクチュエータ１０の回転部材１４が不要であるため、部材の個数が少なく済み、アクチュエータ自体の厚さも薄くなるという利点がある。

図１０は、他のアクチュエータ１０Ｃ’の模式的な側面図である。アクチュエータ１０Ｃ’は、アクチュエータ１０Ｃのものと同じ回転部材１２、固定基板１３、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８に加えて、回転部材１２’、固定基板１３’およびエレクトレット部１６を有する。図１０は、図２（Ｂ）と同様に、横方向が回転部材１２の円周方向に相当するように変形された側面図である。

回転部材１２’および固定基板１３’は、それぞれ回転部材１２および固定基板１３と同じものであり、回転部材１２および固定基板１３と上下対称になるように、回転部材１２の上側に配置されている。回転部材１２，１２’は、それらの中心で同じ回転軸（図２（Ａ）の回転軸１１に相当）に接続しており、その回転軸の周りに回転可能である。固定基板１３’にも、固定基板１３と同様に対向電極１７，１８が形成されている。また、エレクトレット部１６は、エレクトレット部１５と同じものであり、平坦面である回転部材１２’の下面にベタで形成されている。

図９（Ａ）のアクチュエータ１０Ｃについても、図６のアクチュエータ１０’と同様に、回転部材１２、固定基板１３、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８の組を上下２段に配置してもよい。これにより、アクチュエータ１０Ｃと比べて、回転方向の発生力を容易に２倍に増やすことができる。また、図７（Ａ）および図８（Ａ）のアクチュエータ１０Ａ，１０Ｂについても、同様に、回転部材１２Ａ、固定基板１３、エレクトレット部１５，１５Ｂおよび対向電極１７，１８の組を上下２段に配置してもよい。

図１１は、電気機械変換器２の概略構成図である。図１１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、主要な構成要素として、回転部材１２、固定基板１３、回転部材１４、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８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１２，１４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。

回転部材１２，１４、固定基板１３、エレクトレット部１５および対向電極１７，１８は、アクチュエータ１０のものと同じであるが、例えば、発電部３０の回転部材１２には、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。また、電気機械変換器２の対向電極１７，１８は、それぞれ電気配線を介して蓄電部４０に接続されている。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、回転錘付きの回転部材１２と他の回転部材１４が回転軸１１の周りに回転する。

回転部材１２が回転すると、それに伴い、回転部材１２の凸部１２６と対向電極１７，１８の間の重なり面積が増減する。例えば、エレクトレット部１５に負電荷が保持されているとすると、エレクトレット部１５および導電性の回転部材１２が作る電界により対向電極１７，１８に引き寄せられる正電荷が、回転部材１２の回転に伴い増減する。発電部３０は、このようにして、対向電極１７と対向電極１８の間に交流電流を発生させることにより、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１２，１４の回転に応じてエレクトレット部１５と対向電極１７，１８との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する。対向電極１７，１８からの出力は整流回路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１７と対向電極１８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のパターン幅を狭くしても、発生する電力の低下が少ないため、回転部材１２を小型にしても出力が低下しにくいという効果が得られる。

なお、発電部３０でも、回転部材１２に替えて、図７（Ａ）および図７（Ｂ）に示した回転部材１２Ａを用いてもよい。また、エレクトレット部１５をベタに形成するのではなく、図８（Ａ）および図８（Ｂ）に示したエレクトレット部１５Ｂのように、回転部材１４の下面において回転軸１１を中心とする放射状のパターンに形成してもよい。あるいは、発電部３０でも、図９（Ａ）に示したアクチュエータ１０Ｃと同様に、回転部材１４を省略し、回転部材１２の上面にエレクトレット部１５を形成してもよい。

また、発電部３０を図２（Ｂ）、図７（Ａ）または図８（Ａ）に示したアクチュエータ１０，１０Ａ，１０Ｂと同様に構成する場合には、図６のアクチュエータ１０’と同様に、回転部材１２，１２Ａおよび固定基板１３と同じものを、回転部材１４を挟んで上下対称になるように回転部材１４の上側に配置し、回転部材１４の両面にエレクトレット部を形成してもよい。あるいは、発電部３０を図９（Ａ）に示したアクチュエータ１０Ｃと同様に構成する場合には、図１０のアクチュエータ１０Ｃ’と同様に、回転部材１２および固定基板１３と同じものを上下対称になるように回転部材１２の上側に配置し、２つの回転部材の平坦面にエレクトレット部を形成してもよい。これらの構成により、発電量を容易に２倍に増やすことができる。

図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、電気機械変換器３の概略構成図である。図１２（Ａ）に示すように、電気機械変換器３は、アクチュエータ５０および駆動部２０を有する。アクチュエータ５０は、主要な構成要素として、筐体５１、スライド板５２、固定基板５３、エレクトレット部５５および対向電極５７，５８を有する。図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）は、対向電極５７，５８の配置およびスライド板５２の移動方向を示す平面図である。

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５５と対向電極５７，５８との間の静電気力を利用して、スライド板５２を往復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。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５２のようにスライド移動するものであってもよい。

スライド板５２は、可動部材の一例であり、シリコン基板などの導電性材料で構成され、図示しない可動支持部により筐体５１内に支持されている。スライド板５２は、箱型の筐体５１の底面に配置された固定基板５３との間で一定の距離を保って、固定基板５３に平行な方向（水平方向、矢印Ａ方向）に往復移動可能である。スライド板５２の下面には、複数の凹部５２５（溝部の一例）および凸部５２６が、スライド板５２の移動方向に交互に、かつその移動方向と直交する方向に帯状（直線状）に形成されている。凹部５２５同士および凸部５２６同士はそれぞれ等間隔に配置されており、それらの幅は同じであることが好ましい。一方、スライド板５２の上面は、凹凸が形成されていない平坦面である。

エレクトレット部５５は、例えば、スライド板５２の上面において、その矩形領域全体を覆い尽くすように、一体的に（ベタで）形成されている。すなわち、アクチュエータ５０は、図９（Ａ）に示したアクチュエータ１０Ｃに類似した構成を有する。なお、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）では、エレクトレット部５５が透明であるとして図示している。

対向電極５７，５８は、固定基板５３の上面において、スライド板５２の移動方向に交互に、かつその移動方向と直交する方向に帯状に形成されている。対向電極５７同士および対向電極５８同士はそれぞれ等間隔に配置されており、それらの幅は同じであることが好ましい。また、対向電極５７，５８の幅は、凹部５２５および凸部５２６の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、凸部５２６、対向電極５７および対向電極５８の個数も同じであることが好ましい。

駆動部２０は、アクチュエータ５０を駆動するための回路であり、対向電極５７，５８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のものと同様の構成を有し、極性が交互に切り替わる電圧を対向電極５７，５８に印加することにより、図１２（Ｂ）および図１２（Ｃ）に示すように、スライド板５２を筐体５１内で水平方向（矢印Ａ方向）にスライド移動させる。

アクチュエータ５０でも、スライド板５２のパターン幅を狭くしても、発生する駆動力（発生力）の低下が少ないため、スライド板５２を小型にしても出力が低下しにくいという効果が得られる。また、アクチュエータ５０でも、図１０のアクチュエータ１０Ｃ’と同様に、スライド板５２と同じものを上下反転させてスライド板５２の上に配置するとともに、固定基板５３と同じものを上下反転させて筐体５１の上端に配置してもよい。この構成により、発生力を容易に２倍に増やすことができる。

１，２，３ 電気機械変換器
１０，１０’，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｃ’，５０ アクチュエータ
１１ 回転軸
１２，１２’，１２Ａ，１４ 回転部材
１２５，５２５ 凹部
１２６，５２６ 凸部
１２８ 貫通孔
１３，１３’，５３ 固定基板
１５，１５Ｂ，１６，５５ エレクトレット部
１７，１８，５７，５８ 対向電極
２０ 駆動部
３０ 発電部
４０ 蓄電部
５２ スライド板

Claims (9)

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、
   固定基板と、
   前記固定基板との間で一定の距離を保って移動可能であり、少なくとも前記固定基板との対向面において移動方向に間隔を空けて形成された複数の溝部を有する導電性の可動部材と、
   前記固定基板の前記可動部材との対向面において前記可動部材の前記移動方向に間隔を空けて形成された複数の対向電極と、
   前記可動部材を挟んで前記固定基板とは反対側に配置され、前記可動部材とともに前記複数の対向電極に対して移動可能な帯電部と、
   を有することを特徴とする電気機械変換器。
2. 前記帯電部は、前記可動部材の前記固定基板とは反対側の面に配置されている、請求項１に記載の電気機械変換器。
3. 前記可動部材の前記固定基板とは反対側の面は凹凸が形成されていない平坦面であり、
   前記帯電部は、複数の部分領域に分かれることなく、前記複数の対向電極の形成位置に対応する前記可動部材上の領域全体を覆うように一体的に形成されている、請求項２に記載の電気機械変換器。
4. 前記可動部材は、前記可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、
   前記複数の溝部と前記複数の対向電極は、それぞれ前記回転軸を中心として放射状に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
5. 前記可動部材は、前記固定基板に平行な方向に往復移動可能であり、
   前記複数の溝部と前記複数の対向電極は、それぞれ前記可動部材の前記移動方向に垂直に延びる直線状の形状を有する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
6. 前記固定基板とは反対側において前記可動部材に対向するように配置され、前記可動部材とともに前記複数の対向電極に対して移動可能な第２の可動部材をさらに有し、
   前記帯電部は、前記第２の可動部材の前記可動部材との対向面に配置されている、請求項１に記載の電気機械変換器。
7. 前記帯電部は、複数の部分領域に分かれることなく、前記複数の対向電極の形成位置に対応する前記第２の可動部材上の領域全体を覆うように一体的に形成されている、請求項６に記載の電気機械変換器。
8. 前記可動部材の前記固定基板とは反対側の面は凹凸が形成されていない平坦面であり、
   前記帯電部は、前記複数の対向電極の側から見ると前記可動部材により覆い隠されている、請求項７に記載の電気機械変換器。
9. 前記可動部材および前記第２の可動部材は、前記可動部材および前記第２の可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、
   前記複数の溝部と前記複数の対向電極は、それぞれ前記回転軸を中心として放射状に配置されている、請求項６〜８のいずれか一項に記載の電気機械変換器。

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