JP7194080B2 - 電気機械変換器およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械変換器およびその製造方法に関する。

半永久的に電荷を保持する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１～３を参照）。こうした電気機械変換器は、例えば、固定基板（固定部材）と、固定基板との間で一定の距離を保って移動可能な可動部材と、可動部材の固定基板との対向面に移動方向に間隔を空けて配置された帯電部（エレクトレット）と、固定基板の可動部材との対向面に配置された対向電極（固定電極）と、帯電部および対向電極の間で発生した電力または動力を出力する出力部とを有する。帯電部は、例えば、可動部材となる基板の表面に被覆層を形成し、その被覆層を帯電させることで作製される。

特開２０１８－１５７６５８号公報 特開２０１７－２８９１０号公報 特開２０１４－１３１４１８号公報

こうした電気機械変換器の変換効率を高めるためには、可動部材のうちで帯電部が形成されない領域を溝部として、可動部材を軽量化することが望ましい。しかしながら、溝部を有する可動部材では、その表面の被覆層を帯電させて帯電部を形成するときに、溝部内における可動部材の露出部（側面）に電荷が逃げてしまい、被覆層に電荷が取り込まれ難い（この点は図５（Ａ）を用いて後述する）。可動部材の表面（上面または下面）だけでなく溝部の内壁（側面）にも被覆層を形成しておけば、帯電工程の際に側面に逃げた電荷も帯電部に取り込むことはできる。しかしながら、可動部材の側面に帯電部を形成しても、その部分は対向電極に対向していないため、電気機械変換器の出力には寄与しない。

そこで、本発明は、可動部材が軽量でかつ帯電部の帯電量が多い電気機械変換器およびその製造方法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固定基板に対して相対移動可能であり、固定基板との対向面に溝部を有し、溝部および溝部以外の部分である基台部が移動方向に交互に配置された可動部材と、その対向面における基台部上に配置され、移動方向における幅が基台部よりも大きく、移動方向における端部が溝部上に突出している帯電部と、固定基板の可動部材との対向面に配置された対向電極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。

可動部材を挟んで固定基板とは反対側に配置された第２の固定基板と、第２の固定基板の可動部材との対向面に配置された第２の対向電極と、可動部材の第２の固定基板との対向面における基台部上に配置された第２の帯電部とをさらに有し、溝部が可動部材を厚さ方向に貫通しており、移動方向における第２の帯電部の端部が溝部上に突出しておらず、帯電部と対向電極との距離が第２の帯電部と第２の対向電極との距離よりも大きいことが好ましい。

可動部材を挟んで固定基板とは反対側に配置された第２の固定基板と、第２の固定基板の可動部材との対向面に配置された第２の対向電極と、可動部材の第２の固定基板との対向面における基台部上に配置された第２の帯電部とをさらに有し、溝部が可動部材を厚さ方向に貫通しており、移動方向における第２の帯電部の幅が基台部よりも大きく、移動方向における第２の帯電部の端部が溝部上に突出していることが好ましい。この場合、帯電部と対向電極との距離が第２の帯電部と第２の対向電極との距離と同じであることが好ましい。

移動方向における基台部の両端で帯電部が溝部上に突出していることが好ましい。

可動部材が回転部材であり、溝部、基台部、帯電部および対向電極がそれぞれ回転部材の回転軸を中心として放射状に配置されており、帯電部が基台部に対して回転部材の回転方向に突出していることが好ましい。

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製造方法であって、帯電部となる被覆層を第１の基板の表面に形成する工程と、被覆層が形成された側の面を下側に向けて第１の基板を台座上に載置し、第１の基板をプレス加工して、溝部および溝部以外の第１の基板の部分である基台部が一方向に交互に配置されるように第１の基板に溝部を形成することで、一方向における基台部上の被覆層の幅を基台部よりも大きくし、かつ一方向における被覆層の端部を溝部上に突出させる工程と、被覆層を帯電させて第１の基板に帯電部を形成する工程と、電極が配置された第２の基板の電極に帯電部を対向させ、第２の基板との間で一定の距離を保って第２の基板に対して一方向に相対移動可能に第１の基板を設置す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。

上記の電気機械変換器およびその製造方法によれば、可動部材が軽量でかつ帯電部の帯電量が多くなる。

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部分断面図である。 回転部材１２の例を示す平面図および部分断面図である。 回転部材１２の別の例を示す平面図である。 プレス加工による回転部材の作製方法を説明するための部分断面図である。 庇部１４Ｅの効果を説明するための図である。 アクチュエータ１０’の部分断面図である。 アクチュエータ１０’’の部分断面図である。 エッチングによる回転部材の作製方法を説明するための部分断面図である。 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、電気機械変換器およびその製造方法について説明する。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、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、帯電部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、帯電部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（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部分断面図である。図２（Ａ）に示すように、アクチュエータ１０は、回転部材１２の下面１２２と固定基板１３の上面１３１とを対向させ、両者を平行に配置して構成される。図２（Ｂ）では、回転部材１２および固定基板１３を円周方向に切断した断面を示しており、図２（Ｂ）の横方向が図２（Ａ）の矢印Ｃ方向に相当する。図１では、アクチュエータ１０として、回転部材１２の下面１２２と固定基板１３の上面１３１を並べて示している。

回転軸１１は、回転部材１２の回転中心となる軸であり、回転部材１２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。図２（Ｂ）では、簡単のため、回転軸１１を図示していない。

回転部材１２は、可動部材の一例であり、金属、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、ガラスまたはシリコンなどで構成される。軽量化のために、回転部材１２の基材はアルミニウムまたはその合金であることが好ましい。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。回転部材１２は、例えば円盤形状を有し、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帯電部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、固定基板１３に対して相対移動可能である。

図２（Ｂ）に示すように、回転部材１２には、軽量化のために、円周方向（回転部材１２の回転方向、移動方向、矢印Ｃ方向）に沿って等間隔に、複数の溝部１２４が形成されている。すなわち、回転部材１２には、溝部１２４および溝部１２４以外の部分である基台部が、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心として放射状に配置されている。溝部１２４は、回転部材１２を厚さ方向に貫通しているが、図２（Ａ）では簡単のため図示していない。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、回転部材１２の例を示す平面図および部分断面図である。図３－２（Ａ）および図３－２（Ｂ）は、回転部材１２の別の例を示す平面図である。図３（Ａ）および図３－２（Ａ）では花弁型の回転部材１２Ａ，１２Ａ’について、図３－２（Ｂ）では車輪型の回転部材１２Ｂについて、帯電部１４が形成されている下面１２２（図２（Ａ）を参照）を示している。図３（Ｂ）では、図３（Ａ）、図３－２（Ａ）および図３－２（Ｂ）のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ線に沿った回転部材１２Ａ，１２Ａ’，１２Ｂの断面を示している。この線に沿った断面は、回転部材１２Ａ，１２Ａ’，１２Ｂのいずれも同じである。図３（Ｂ）では、図の下側が回転部材の上面１２１（図２（Ａ）を参照）に、図の上側が回転部材の下面１２２にそれぞれ相当する。アクチュエータ１０は、図１～図２（Ｂ）の回転部材１２として、回転部材１２Ａ，１２Ａ’，１２Ｂのいずれを有してもよい。

図３（Ａ）および図３－２（Ａ）に示す回転部材１２Ａ，１２Ａ’は、その面内で回転軸１１を中心として放射状に突出する略台形の２４本の突出部１２３Ａを有する。突出部１２３Ａは、互いに同じ形状および大きさを有し、回転部材１２Ａの円周方向に等間隔に配置されている。突出部１２３Ａは回転部材１２Ａの基台部に相当し、突出部１２３Ａ同士の間には、回転部材１２Ａを厚さ方向に貫通する溝部１２４Ａ（図２（Ｂ）の溝部１２４）が形成されている。回転軸１１を中心とする同一円周上では、各突出部１２３Ａと各溝部１２４Ａの幅は同じである。

図３－２（Ｂ）に示す回転部材１２Ｂは、回転軸１１を中心として放射状に形成された略台形の１８個の貫通孔１２４Ｂを有する。貫通孔１２４Ｂは、互いに同じ形状および大きさを有し、回転部材１２Ｂの円周方向に等間隔に配置されている。貫通孔１２４Ｂは回転部材１２Ｂの溝部（図２（Ｂ）の溝部１２４）に、貫通孔１２４Ｂ同士の間の部分である平坦部（スポーク部分）１２３Ｂは回転部材１２Ｂの基台部に、それぞれ相当する。回転軸１１を中心とする同一円周上では、各平坦部１２３Ｂと各貫通孔１２４Ｂの幅は同じである。

帯電部１４は、エレクトレット材料で構成された薄膜であり、固定基板１３との対向面である回転部材１２の下面１２２に形成されている。帯電部１４は、静電荷を保持し、すべて同一の極性（例えば負）に帯電している。帯電部１４のエレクトレット材料としては、例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標）などの樹脂材料、ポリプロピレンもしくはポリエチレンテレフタレートなどの高分子材料、または、二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素などの無機材料が用いられる。帯電部１４の厚さは、例えば１５～２５μｍ程度である。

回転部材１２Ａの帯電部１４は下面１２２全体を覆っている。回転部材１２Ａ’の帯電部１４は、突出部１２３Ａから回転軸１１付近にまで延びる略台形の２４個の部分領域で構成され、突出部１２３Ａの下面を覆っている。回転部材１２Ｂの帯電部１４は、略台形の１８個の部分領域で構成され、回転部材１２Ｂの下面における平坦部１２３Ｂを覆っている。回転部材１２Ａ’，１２Ｂでは、回転軸１１を取り囲む円環状の中央部分１２１ｃには帯電部１４は形成されていない。帯電部１４は、回転部材１２Ａでは全体がひとつながりになっているのに対し、回転部材１２Ａ’，１２Ｂでは複数個に分かれている。いずれの回転部材でも、突出部１２３Ａまたは平坦部１２３Ｂがある外周側では、帯電部１４は、回転軸１１を中心として放射状に、かつ円周方向に溝部１２４Ａまたは貫通孔１２４Ｂと交互に配置されている。突出部１２３Ａまたは平坦部１２３Ｂの個数（すなわち、帯電部１４の部分領域の個数）は、図示した２４個または１８個に限らず、何個でもよい。

図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に符号１４Ｅで示すように、円周方向（矢印Ｃ方向）における帯電部１４の幅は基台部（突出部１２３Ａまたは平坦部１２３Ｂ）の幅よりも大きく、円周方向における帯電部１４の端部は溝部１２４上に突出している。すなわち、帯電部１４は、円周方向における各突出部１２３Ａまたは各平坦部１２３Ｂの両端で、基台部から庇状にはみ出て、基台部に対して円周方向に突出している。以下では、帯電部１４のこの突出部のことを「庇部１４Ｅ」という。例えば、回転部材１２の厚さｄは１００μｍ程度、庇部１４Ｅの幅ｗは１０μｍ程度であり、この場合、庇部１４Ｅは回転部材１２の厚さｄの１０％程度側方に突出している。

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、例えば円盤形状を有し、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の筐体に固定されている。

対向電極１５，１６は、それぞれ略台形の複数の電極で構成され、回転部材１２との対向面である固定基板１３の上面１３１において、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心として放射状に形成されている。対向電極１５同士および対向電極１６同士は、回転部材１２の基台部および溝部と同様に、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１５および対向電極１６の幅は同じであり、その大きさは回転部材１２の基台部および溝部の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、帯電部１４、対向電極１５および対向電極１６の個数も同じであることが好ましい。

ただし、対向電極１５，１６も、回転部材１２Ａの帯電部１４と同様に、それぞれ、略台形の部分領域同士が互いに連結されてひとつながりになっていてもよい。帯電部１４および対向電極１５，１６の部分領域が放射状かつ円周方向に等間隔に配置されていることが重要であり、これらがそれぞれ複数個あることは必須ではない。

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。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１５に、比較器２３の出力は対向電極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。

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１５には帯電部１４の静電荷と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極１６には帯電部１４の静電荷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、帯電部１４が作る電界と対向電極１５，１６が作る電界との相互作用により、帯電部１４と対向電極１５，１６との間に引力または斥力が発生する。駆動部２０は、極性が交互に切り替わる電圧を対向電極１５，１６に印加することで、帯電部１４と対向電極１５，１６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。

アクチュエータ１０の製造時には、例えば、まず、回転部材１２となる基板（第１の基板）の表面に帯電用の図示しない電極が形成され、さらにその上に、帯電部１４となる樹脂膜（被覆層）が形成される。そして、その基板をプレス加工することで、基板上に互いに間隔を空けて複数の溝部１２４が形成される。ただし、基板の材料が金属のような導電性材料の場合には、基板自体を帯電用の電極として利用できるので、必ずしも基板上に電極を形成する必要はない。

図４（Ａ）～図４（Ｄ）は、プレス加工による回転部材の作製方法を説明するための部分断面図である。図４（Ａ）における符号１０１～１０３は、それぞれ、プレス機のパンチ、パンチ１０１の受け側（下側）に配置されるダイ（ダイプレート、台座）、およびダイ１０２に形成された開口部を示す。符号７１はプレス加工されて回転部材１２になる基板（例えば、アルミ基板）を示し、符号７２，７２’は、それぞれ基板７１の下面および上面に形成された樹脂膜を示す。回転部材１２は下面１２２（片面）のみに帯電部１４を有するが、図４（Ａ）～図４（Ｄ）では、説明の便宜上、基板７１の両面に樹脂膜が形成されている場合を示している。

図４（Ａ）～図４（Ｄ）の順序でパンチ１０１を押下することで、開口部１０３に合った形状の部分が基板７１から切り出される。基板７１のうちで図４（Ｄ）における下側に切り出された部分が回転部材１２の１つの突出部１２３Ａまたは平坦部１２３Ｂに相当し、その左右が溝部１２４に相当する。図４（Ｂ）に符号７２ａ，７２ｂで示すように、パンチ１０１の押下により、パンチ１０１に近い上面側の樹脂膜７２’は直ちに切り込まれるが、パンチ１０１から遠い下面側の樹脂膜７２は切断前に引き伸ばされる。この引き伸ばされた部分は、プレス後も完全には戻りきらず、図４（Ｄ）に符号７２Ｅで示すように、基板７１の切り出された部分に対して側方に突出する。この突出部が、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示す帯電部１４の庇部１４Ｅになる。すなわち、庇部１４Ｅは、プレス加工によって必然的に形成される。

したがって、庇部１４Ｅ付きの帯電部１４を有する回転部材１２を作製するには、帯電部１４を形成したい側の面をパンチ１０１とは反対側（ダイ１０２側、開口部１０３側）に向けて基板７１をダイ１０２上に載置し、基板７１を単にプレス加工すればよい。回転部材１２を作製するには樹脂膜７２，７２’のうちの片方は不要であるから、樹脂膜が形成された側（樹脂膜７２側）の面を下側に向けて基板７１をダイ１０２上に載置し、プレス加工を行えばよい。これにより、片面の樹脂膜７２に庇部７２Ｅが容易に形成される。

そして、切り出された基板７１に回転軸１１を取り付け、基板７１上の樹脂膜７２を帯電させることで帯電部１４が形成される。帯電部１４は、例えばコロナ放電により形成してもよい。その際は、例えば、基板が接地されるとともに、基板の樹脂膜に対向させて針電極が配置され、その針電極に例えば数千Ｖ程度の高電圧が掛けられる。こうして、針電極から基板に向けて電子を放出させることにより、樹脂膜が負に帯電して、帯電部１４が形成される。帯電部１４の形成後に回転部材１２に回転軸１１を取り付けてもよいが、その作業中に放電して帯電量が減ってしまう可能性があるので、回転軸１１の取付け後に帯電部１４を形成することが好ましい。

以上の工程により、回転部材１２が完成する。その後は、対向電極１５，１６が配置された固定基板１３（第２の基板）の対向電極１５，１６と回転部材１２の帯電部１４とを対向させ、一定の間隔を空けて回転部材１２と固定基板１３が平行に配置される。これにより、アクチュエータ１０が完成する。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、庇部１４Ｅの効果を説明するための図である。これらの図では、回転部材１２となる基板上の樹脂膜の帯電工程を示している。図５（Ａ）は、樹脂膜に庇部がなく、円周方向における樹脂膜の端部が回転部材１２の端部と一致している帯電部１４’が形成される場合（比較例）を示し、図５（Ｂ）は、庇部１４Ｅを有する帯電部１４が形成される場合（実施例）を示す。回転部材１２の形状はどちらも同じであり、回転部材１２としては図３（Ｂ）と同様の部分断面を示している。

図５（Ａ）の場合には、基板を接地し図示しない針電極と基板との間に高電圧を掛けたときに放出される電子Ｅのうちの一部は、符号Ｅ’で示すように、回転部材１２の側面（溝部の内壁）に回り込み、帯電部１４’に取り込まれずに逃げてしまう。これに対し、図５（Ｂ）の場合には、庇部１４Ｅがあることで、回転部材１２の側面への電子Ｅの回り込みが妨げられ、帯電部１４に取り込まれずに逃げてしまう電荷が少なくなる。このため、庇部１４Ｅがある帯電部１４では、庇部がない帯電部１４’と比べて多くの電荷が取り込まれ、帯電量が増加する。

庇部がある場合とない場合の帯電量を比較した実験結果によれば、回転部材１２の厚さの１０％程度側方に突出する庇部１４Ｅがある場合の帯電量は、庇部がない場合と比べて２０％程度増加すると見積もられる。この増加率は庇部がある場合とない場合の帯電部の面積比よりも大きいため、単に庇部１４Ｅにより帯電部の面積が増えることで帯電量が増加するのではなく、回転部材１２の側面への電荷の回り込みが抑えられることが影響していると言える。したがって、アクチュエータ１０では、回転部材１２に溝部１２４があることで回転部材１２が軽量化され、帯電部１４に庇部１４Ｅがあることで帯電量が多くなり、その結果、軽量で静電気力の高いエレクトレットモータが実現される。

円周方向における各突出部１２３Ａまたは各平坦部１２３Ｂの片方の端部だけが庇部１４Ｅを有しても、庇部がない場合と比べれば帯電量は増加する。しかしながら、図２（Ｂ）および図３（Ｂ）に示すように円周方向の両方の端部に庇部１４Ｅがある方が、帯電量の増加の効果がより大きくなるため好ましい。また、帯電部１４は、突出部１２３Ａまたは平坦部１２３Ｂの径方向の全体にわたって庇部１４Ｅを有することが好ましい。

図６は、アクチュエータ１０’の部分断面図である。アクチュエータ１０’は、回転軸１１（図６では図示せず）、回転部材１２’、固定基板１３，１３’、帯電部１４，１４’および対向電極１５，１６，１５’，１６’を有する。図６では、図２（Ｂ）と同様に、回転部材１２’および固定基板１３，１３’を円周方向に切断した断面を示しており、図６の横方向が図２（Ａ）の矢印Ｃ方向に相当する。

アクチュエータ１０’の回転軸１１、固定基板１３、帯電部１４および対向電極１５，１６は、上記したアクチュエータ１０のものと同じである。回転部材１２’は、回転部材１２’を貫通する溝部１２４同士の間における下面に帯電部１４を、溝部１２４同士の間における上面に帯電部１４’をそれぞれ有し、帯電部１４’が追加されている点のみがアクチュエータ１０の回転部材１２とは異なる。回転部材１２’は、図３（Ａ）～図３－２（Ｂ）に示した回転部材１２Ａ，１２Ａ’，１２Ｂのいずれの形状を有してもよい。固定基板１３’は固定基板１３と同じものであり、回転部材１２’を挟んで固定基板１３とは反対側に配置されている。アクチュエータ１０’は、固定基板１３’、回転部材１２’および固定基板１３をこの順に互いに一定の間隔を空けて平行に配置して構成される。

帯電部１４’は、帯電部１４と同様のものであるが、帯電部１４とは反対側である回転部材１２’の固定基板１３’との対向面に配置されており、庇部を有していない点が帯電部１４とは異なる。すなわち、回転部材１２’の円周方向における帯電部１４’の端部は、溝部１２４上に突出しておらず、回転部材１２’の端部と一致している。図４（Ａ）～図４（Ｄ）を用いて説明したように、両面に樹脂膜７２，７２’を有する基板７１をプレス加工すると、片面のみに庇部７２Ｅが形成されるので、必然的に、庇部１４Ｅのある帯電部１４と庇部のない帯電部１４’とを有する回転部材１２’が得られる。

対向電極１５’，１６’は、対向電極１５，１６と同じものであり、固定基板１３’の回転部材１２’との対向面に配置されている。対向電極１５’，１６’には、対向電極１５，１６とそれぞれ同じ電圧が印加される。これにより、アクチュエータ１０’では、回転部材１２’の下面側では帯電部１４と対向電極１５，１６の間で、回転部材１２’の上面側では帯電部１４’と対向電極１５’，１６’の間でそれぞれ静電気力が発生するので、取り出される動力がアクチュエータ１０と比べて大きくなる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）を用いて説明したように、帯電部１４の方が帯電部１４’よりも帯電量が多い。このため、アクチュエータ１０’では、固定基板１３と固定基板１３’の中間に回転部材１２’を配置すると、帯電部１４と対向電極１５，１６との間の方が、帯電部１４’と対向電極１５’，１６’との間よりも静電気力が強くなる。この場合、回転部材１２’の上面側と下面側で電気機械変換器１の出力が不均一になり、また、帯電部と対向電極の間の引力が上面側と下面側で打ち消し合わず、回転部材１２’が一方に引き付けられて回転の妨げとなる。

そこで、アクチュエータ１０’では、帯電部１４と対向電極１５，１６との間の距離ｄ１を、帯電部１４’と対向電極１５’，１６’との間の距離ｄ２よりも大きくするとよい。すなわち、ｄ１＞ｄ２を満たす範囲内で帯電量の差に応じて距離ｄ１，ｄ２を調整し、帯電部１４を帯電部１４’よりも対向電極から遠ざけるとよい。これにより、回転部材１２’の上面側と下面側で帯電量に差があっても、上面側と下面側の出力が均一化され、帯電部と対向電極の間の引力が上面側と下面側で打ち消される。

あるいは、アクチュエータ１０’の製造時において、帯電部１４，１４’の帯電工程よりも前に、回転部材１２’の側面（各溝部１２４の内壁）を例えば金属の酸化物や樹脂などの絶縁層で被覆してもよい。こうすると、帯電工程の際に、庇部がない帯電部１４’の側でも回転部材１２’の側面への電荷の回り込みが抑えられるので、側面を被覆しない場合と比べて帯電部１４，１４’の帯電量の差が少なくなる。帯電部１４と帯電部１４’では庇部１４Ｅの分だけ面積が異なるので、側面への電荷の回り込みがなくても帯電量の差は生じ得るが、この面積差は小さいため、面積差に起因する帯電量の差は無視できる。

回転部材１２’に回転軸１１を取り付けてから帯電工程を行う場合、コロナ放電の発生源となる針電極から帯電部１４，１４’までの距離が回転軸１１の長さだけ遠くなり、帯電量が少なくなる。例えば、機構設計上、両面に帯電部１４，１４’が形成され、回転軸１１が一方の面側に長く突き出なければならない場合には、回転軸１１が長く突き出る側を庇部１４Ｅがある側にすることで、帯電量の減少を抑えることができ、その結果、両面の帯電部１４，１４’の帯電量を揃えることができる。

図７は、アクチュエータ１０’’の部分断面図である。アクチュエータ１０’’は、その回転部材１２’’の上面側の帯電部１４’も下面側の帯電部１４と同じ庇部１４Ｅ’を有し、固定基板１３と固定基板１３’の中間に回転部材１２’’が配置されている点のみが図６のアクチュエータ１０’とは異なる。帯電部１４，１４’の両方に庇部１４Ｅ，１４Ｅ’があれば、両者の帯電量も同等になるため、帯電部１４と対向電極１５，１６との間の距離は、帯電部１４’と対向電極１５’，１６’との間の距離と同じ（ｄ３）でもよい。この場合、図７における距離ｄ３を、図６における距離ｄ１，ｄ２の平均として、ｄ１＞ｄ３＞ｄ２の大小関係を満たすように設定することができる。

図８（Ａ）～図８（Ｄ）は、エッチングによる回転部材の作製方法を説明するための部分断面図である。図７の回転部材１２’’のように両面の帯電部１４，１４’に庇部１４Ｅ，１４Ｅ’がある回転部材は、以下のようにエッチングにより作製することができる。

例えば、まず、図８（Ａ）に示すように、基板７１の上面と下面に、塗布またはスプレーコートにより樹脂膜７２，７２’がそれぞれ形成され、フォトリソグラフィにより、樹脂膜７２，７２’の上にレジストのマスク層７３がそれぞれ形成（パターニング）される。続いて、図８（Ｂ）に示すように、アッシング法により、マスク層７３が形成されていない部分の樹脂膜７２，７２’を除去することで、樹脂膜７２，７２’がパターニングされる。

さらに、図８（Ｃ）に示すように、ウェットエッチングにより、マスク層７３が形成されていない部分の基板７１を削り取ることで、基板７１を厚さ方向に貫通する溝部が形成される。その際、符号７１Ｅで示すように、各溝部においてマスク層７３の端部よりも基板７１の面方向（図の横方向）の内側まで基板７１が削り取られ（オーバエッチング）、これにより樹脂膜７２，７２’の端部が庇部７２Ｅ，７２Ｅ’になる。続いて、図８（Ｄ）に示すように、マスク層７３が除去される。その後、樹脂膜７２，７２’を帯電させれば、両面に庇部１４Ｅ，１４Ｅ’がある回転部材１２’’が得られる。

回転部材１２’’を作製するには、レジストを使わずに、帯電部となる樹脂膜を印刷やレーザ加工でパターニングして、その樹脂膜をマスク層として利用し、基板をウェットエッチングしてもよい。回転部材の溝部は、プレス加工の場合には（パンチを貫通させないと庇部ができないので）貫通孔になるが、エッチングの場合には必ずしも基板を貫通していなくてもよい。回転部材１２のように片面のみに帯電部１４を有する回転部材も同様にエッチングで作製してもよく、この場合、溝部１２４は、少なくとも回転部材１２の固定基板１３との対向面に形成されていればよい。

図９は、電気機械変換器２の概略構成図である。図９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、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、帯電部１４および対向電極１５，１６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。

回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、帯電部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が、発電部３０では、回転部材１２または回転部材１２とは別に、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。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、回転錘が回転することで回転部材１２がその円周方向に回転する。回転部材１２が回転すると、それに伴い、帯電部１４と対向電極１５，１６の間の重なり面積が増減する。例えば、帯電部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３０は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の回転に応じて帯電部１４と対向電極１５，１６との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する。電気機械変換器２の対向電極１５，１６は、電気配線を介して整流回路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として、図２（Ｂ）に示すように庇部１４Ｅ付きの帯電部１４を有するものが使用される。これにより、発電部３０でも、回転部材１２が軽量化されるとともに帯電部１４の帯電量が多くなり、軽量で発電量が多いエレクトレット発電機が実現される。

図１０（Ａ）～図１０（Ｃ）は、電気機械変換器３の概略構成図である。図１０（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、筐体５１、スライド板５２、固定基板５３、帯電部５４および対向電極５５，５６を有する。図１０（Ｂ）はスライド板５２の斜視図であり、図１０（Ｃ）は、対向電極５５，５６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、帯電部５４と対向電極５５，５６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エレクトレットモータである。電気機械変換器の可動部材は、回転軸の周りに回転するものに限らず、スライド板５２のように往復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、アルミニウムまたはシリコンなどの基材で構成され、図示しない可動支持部により箱型の筐体５１内に支持されている。スライド板５２は、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には、その移動方向と直交する方向に帯状（直線状）に延びる複数の溝部５２４が、移動方向に等間隔に形成されている。溝部５２４は簡単のため２個しか図示していないが、その個数は２個よりも多いことが好ましい。ただし、これらの溝部は、端部同士が互いに連結されてひとつながりになっていてもよい。図示した形態とは異なり、溝部５２４はスライド板５２を厚さ方向に貫通していなくてもよい。

帯電部５４は、エレクトレット材料で構成された薄膜であり、スライド板５２の溝部５２４同士の間の部分である基台部５２３の下面に、矢印Ａ方向と直交する方向に帯状に形成されている。このため、スライド板５２の下面には、複数の帯電部５４と溝部５２４が矢印Ａ方向に交互に配置されている。図１０（Ｂ）に示すように、帯電部５４も、帯電部１４の庇部１４Ｅと同様の庇部５４Ｅを有する。すなわち、スライド板５２の移動方向における各帯電部５４の幅は各基台部５２３の幅よりも大きく、移動方向における帯電部５４の端部は溝部５２４上に突出している。

対向電極５５，５６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５５同士および対向電極５６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５５，５６の幅は、各基台部５２３および各溝部５２４の幅と同じかほぼ同じであることが好ましく、帯電部５４、対向電極５５および対向電極５６の（帯状の部分領域の）個数も同じであることが好ましい。図１０（Ｃ）では、図がわかりにくくなるため、溝部５２４の下方の対向電極５５，５６は図示していない。

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５５，５６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５５，５６に印加することにより、図１０（Ｃ）に示すように、スライド板５２を筐体５１内で矢印Ａ方向に往復移動させる。

アクチュエータ５０でも、帯電部５４が庇部５４Ｅを有することで、スライド板５２が軽量化されるとともに帯電部５４の帯電量が多くなり、軽量で静電気力の高いエレクトレットモータが実現される。発電部３０およびアクチュエータ５０でも、図６および図７に示したアクチュエータ１０’，１０’’のように、回転部材１２またはスライド板５２の両面に帯電部を形成し、回転部材１２またはスライド板５２の両面に対向電極付きの固定基板を対向させてもよい。

１，２，３ 電気機械変換器
１０，１０’，１０’’，５０ アクチュエータ
１１ 回転軸
１２，１２’，１２’’，１２Ａ，１２Ａ’，１２Ｂ 回転部材
１３，１３’，５３ 固定基板
１４，１４’，５４ 帯電部
１４Ｅ，１４Ｅ’ 庇部
１５，１５’，１６，１６’，５５，５６ 対向電極
２０ 駆動部
３０ 発電部
４０ 蓄電部
５２ スライド板

Claims (6)

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前記固定基板に対して相対移動可能であり、前記固定基板との対向面に溝部を有し、前記溝部および前記溝部以外の部分である基台部が移動方向に交互に配置された可動部材と、
   前記対向面における前記基台部上に配置され、前記移動方向における幅が前記基台部よりも大きく、前記移動方向における端部が前記溝部上に突出している帯電部と、
   前記固定基板の前記可動部材との対向面に配置された対向電極と、
   を有し、
   前記移動方向における前記基台部の両端で前記帯電部が前記溝部上に突出している、
   ことを特徴とする電気機械変換器。
2. 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前記固定基板に対して相対移動可能であり、前記固定基板との対向面に溝部を有し、前記溝部および前記溝部以外の部分である基台部が移動方向に交互に配置された可動部材と、
   前記対向面における前記基台部上に配置され、前記移動方向における幅が前記基台部よりも大きく、前記移動方向における端部が前記溝部上に突出している帯電部と、
   前記固定基板の前記可動部材との対向面に配置された対向電極と、
   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た第２の固定基板と、
   前記第２の固定基板の前記可動部材との対向面に配置された第２の対向電極と、
   前記可動部材の前記第２の固定基板との対向面における前記基台部上に配置された第２の帯電部と、を有し、
   前記溝部が前記可動部材を厚さ方向に貫通しており、
   前記移動方向における前記第２の帯電部の端部が前記溝部上に突出しておらず、
   前記帯電部と前記対向電極との距離が前記第２の帯電部と前記第２の対向電極との距離よりも大きい、ことを特徴とする電気機械変換器。
3. 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た第２の固定基板と、
   前記第２の固定基板の前記可動部材との対向面に配置された第２の対向電極と、
   前記可動部材の前記第２の固定基板との対向面における前記基台部上に配置された第２の帯電部と、をさらに有し、
   前記溝部が前記可動部材を厚さ方向に貫通しており、
   前記移動方向における前記第２の帯電部の幅が前記基台部よりも大きく、前記移動方向における前記第２の帯電部の端部が前記溝部上に突出している、請求項１に記載の電気機械変換器。
4. 前記帯電部と前記対向電極との距離が前記第２の帯電部と前記第２の対向電極との距離と同じである、請求項３に記載の電気機械変換器。
5. 前記可動部材が回転部材であり、
   前記溝部、前記基台部、前記帯電部および前記対向電極がそれぞれ前記回転部材の回転軸を中心として放射状に配置されており、
   前記帯電部が前記基台部に対して前記回転部材の回転方向に突出している、請求項１～４のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
6. 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製造方法であって、
   帯電部となる被覆層を第１の基板の表面に形成する工程と、
   前記被覆層が形成された側の面を下側に向けて前記第１の基板を台座上に載置し、前記第１の基板をプレス加工して、溝部および前記溝部以外の前記第１の基板の部分である基台部が一方向に交互に配置されるように前記第１の基板に溝部を形成することで、前記一方向における前記基台部上の前記被覆層の幅を前記基台部よりも大きくし、かつ前記一方向における前記被覆層の端部を前記溝部上に突出させる工程と、
   前記被覆層を帯電させて前記第１の基板に帯電部を形成する工程と、
   電極が配置された第２の基板の前記電極に前記帯電部を対向させ、前記第２の基板との間で一定の距離を保って前記第２の基板に対して前記一方向に相対移動可能に前記第１の基板を設置する工程と、
   を有することを特徴とする製造方法。

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