JPS6244079A - エネルギ−変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はエネルギー変換装置に係り、更に詳しくは静電
力を利用したエネルギー変換装こに関するものである。

［従来の技術］ 従来からよく知られているエネルギー変換装置の例とし
ては電磁モータと電磁発電機とが知られている。

電磁モータは磁界の中に存在するコイルに電流を流すこ
とによって生じる電磁力を利用したもので、電気的なエ
ネルギーを機械力に変換している。

電磁発電機は機械的なエネルギーにより磁界を回転させ
、回転磁界の周りに配置されたコイルに電圧を誘起し、
電力を取り出すもので、機械的エネルギーを電気的なエ
ネルギーに変換している。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来のこの種のエネルギー変換器には次のような問題点
がある。

１）ＴＬ電磁モータしてもＭ、磁発電機にしても電場と
磁場の相互作用を利用しているためコイル及び磁性体を
必要とし、出力を均一にするにはこれらの極数を多くす
る必要があるが、多くするには限界があり出力が一定と
ならない。

２）コイル及び極数を小さくして小型化を図る時、機械
加工に限界があり、大きさを小さくするには限界がある
。

３）限界まで小型化を図ろうとしても小型になればなる
ほど出力が小さくなり小型で十分な出力を持つエネルギ
ー変換装置が得られなかった。

４）静止トルクを発生させるために常に電流を流し続け
る必要があり、その熱発生が問題になる。

［問題点を解決するための手段］ 本発明においては上述した問題点を解決するために、少
なくとも一対以上の電極を用い、これら電極が形成する
コンデンサに対しアクチュエータを適切な位置関係で結
合し、各コンデンサに対し１ａｖＪな時点で充電あるい
は放電を行なうことにより、電気的エネルギーを機械的
エネルギーに、あるいはその逆に変換することができる
ようにした構造を採用するようにした。

［作　用］ ■−述したような構造を採用するとクーロンの法則が作
用する静電力を利用して電気的エネルギーを機械的エネ
ルギーへ、あるいはその逆を極めて容易に変換させるこ
とができる。

また、コンデンサやアクチュエータの製作には半導体製
造技術に用いられているフォトリングラフィの技ｉＪｉ
と薄膜堆積法を利用することができ高密度で超小η（の
エネルギー変換装置を容易に得ることができる。

更に、コンデンサと７クチユエータとの間を十分に接近
させて配置することができるため、小型で十分な出力を
得ることができる。

［基本原理の説明］ ｌ）本発明の八木原理は第２図（Ａ）に示すように構造
変化により静電容量が変化するコンデンサを基本中位と
し、このコンデンサを１つあるいは複数個構造的に結合
し、各コンデンサで生じる静電エネルギーと力学エネル
ギーの間の相互変換を適切な時点で制御することにより
、連続的に電気エネルギーから力学エネルギーを取り出
したりあるいはその逆を行なうところにある。

２）第２図（Ｂ）にその基本概念を示す０図にあって９
０１．９０２はコンデンサの各電極に接続された端子、
９０３は構造変化により静電容量が変化するコンデンサ
であり、その構造変化は結合９９０４の変位により引き
起こされる。結合棒９０４の変位の大きさはＸである。

９０５は結合４４９０４と力学装置９０６とを結合する
結合装置で、第２図（Ｃ）で示すように力学装置９０６
の変位ｙに対しＸが周期ｐで増減するよう両者を結合す
る。

今結合棒９０４の変位がＸである時、コンデンサ９０３
のもつ容量をＣ（ｘ）とし、また、この時コンデンサー
９０３にはＱ　（ｘ）なる電荷があるとすると、コンデ
ンサ９０３は なる静電エネルギーが存在する。

簡単のためＸとＣ（ｘ）の関係が第２図（Ｄ）に示すよ
うに単純な増加函数であるとする。

結合棒９０４の変位がＸからＸ＋ΔＸに変化すると、も
し電荷が変化しなければ だけ静電エネルギーが変化し、この量と等しい量の力学
エネルギーが結合棒９０４を介して出入する。即ち静電
エネルギーと力学エネルギーの間の変換が生じる。

であるからＸの増加に対して、 Ｕ（ｘ＋Δｘ）　−Ｕ　（ｘ）　＜Ｏ（ただしΔｘ　＞
　Ｏ）Ｘの減少に対して、 ｔＪ（ｘ−Δｘ）　−Ｕ　（ｘ）　＞０　（ただし八ｘ
＜０）である。

即ち、コンデンサの構造変位（９０４の変位）をＸから
Ｘ＋ΔＸに変化させたとき（Δｘ〉０）の静電エネルギ
ーは減少し、それに相当する力学エネルギーが外部に取
り出される。

一方、Ｘ−ΔＸに変化させたとき（Δｘ＜０）には力学
エネルギーを外から加える必要があり、その時静電エネ
ルギーは増加する。

３）コンデンサの構造変位（９０４の変位）の値がＸで
ある時、この点Ｘにおける発生する力は次式で与えられ
る。即ち 今、結合Ｊ４９０４にｐ＜Ｆ　（ｘ）なる負荷をつけた
ときには負荷の方が発生力より軽いのでＸは増加し、力
学エネルギーは取り出される。一方Ｆ（ｘ）＜ｐなる負
荷をつけたときには負荷の方が重いのでＸは減少し静電
エネルギーは増加する（第２図（Ｅ））、前者は電動作
用であり、後者は発電作用である。

４）ｘはｙの変化に対しては例えば第２図（Ｃ）のよう
に周期的に変化するから、ｎｐ≦ｙ＜　ｎ　ｐ＋ａの区
間に対してはＸはｙに関する増加函数であり、ｎｐ＋ａ
≦ｙ＜　（ｎ＋１）ｐの区間に対しては減少函数である
。（ｎは任意の整数、０くａ＜ｐ）。

従ってｙを連続的に増加させていくと、ｎｐ≦ｙくｎＰ
＋ａではｙの増加に対しＸは増加するから力が発生し電
動作用があるが、ｎｐ＋ａ≦ｙく（ｎ＋１）ｐではｙの
増加に対しＸは減少するので力を加えなければならず発
電作用がある（第２図（Ｆ）　）　。

５）ところで、結合棒９０４の変位にともない出入りす
るエネルギーの大きさは、電荷の二乗（Ｑ　（ｘ）　２
）に比例する。従って、ｙを増加させるとき電動作用の
ある区１１Ｆ＋で充電をし、発電作用のある区間では放
電をすれば、ｙの増加に対しｎｐ≦ｙ＜ｎｐ＋ａでは力
が発生し、ｎｐ＋ａ≦ｙ＜（ｎ＋１）ｐでは力を加える
必要がなく電動作用のみを利用できる（第２図（Ｇ））
、また、逆にすればｎｐ≦ｙ＜（ｎｐ＋ａ）では力が発
生せず、ｎｐ＋ａ≦ｙ＜　（ｎ＋１）ｐでは発電が起こ
るので発電作用のみを利用できる。

８）電動機として連続的にかつ滑らかに動作させるため
には複数のコンデンサを使用する。即ち第２図（Ｈ）に
示すように力学装置９０６に対し、いくつかの（この図
では３個の場合の例である）コンデンサ９１０〜９１２
を接続する。このとき、力学装置９０６の変位ｙと結合
棒９１４〜９１６の変位の間の位相関係は第２図（Ｉ）
のように局周期ずつずれて結合されている。すると、第
２図（Ｊ）のように各コンデンサで起こる電動作用をｙ
に関して連続的に生ずることができるようになり、連続
的にかつ滑らかに力を取り出すことが可能となる。９３
１〜９３３はそれぞれコンデンサ９１４〜９１６の発生
する力である０発電機として利用する場合にも同様の構
造により滑らかなエネギー変換が可能となる。

力学装置９０６は第２図（Ｈ）のような直線的な構造だ
けでなく、第２図（Ｋ）のように円周状のものも可能で
ある。この場合、永続的にエネルギー変換が可能である
。

以下では力学エネルギーを取り出す装置である力学装置
９０６をアクチュエータと称し、これに対して相対的に
固定されている装置の部分をステータと称することにす
る。

［動作原理の説明］ 工、コンデンサの構造 構造の変化に対し静電容量が変化するコンデンサとして
第２図（Ｌ）に示すようなものを考える。

第２図（Ｌ）において符号１．２で示すものは電極で、
夫々の電極の長さはａ、幅はす１間隔はｄである。

両者は一定間隔離して配置され両者間に摺動自在に誘電
体３が位置している。

この７Ａ　’ｉｔ！体３の誘電率を（２、電極１．２間
の、Ｍ電体が存在しない部分（低誘電率の部分）の誘電
率をεｌとし、高誘電率の部分である誘電体３が電極１
．２間に引き込まれている部分の長さをＸとすると、コ
ンデンサの容量は ＩＩモータとしての動作 第５図（Ａ）〜（Ｄ）は動作の原理をモータの場合につ
いて説明するもので、図中第２図（Ｌ）と同一部分には
同一符号を付し、その説明は省略する。

第５図（Ａ）においては電極１．２間に電圧Ｖ　Ｔｌを
印加し、充電を行なった状態で、かつ高い誘電率の部分
、即ち誘電体３の部分が電極１．２の右端にある場合（
Ｘ＝Ｏ）である。このとき電荷ｆｆ１Ｑ　（０）　、静
電エネルギーＵ　（０）は次のようになる。

この状態では電極１，２から発生する電界は誘電体３を
含むように広がり、誘電体３を電極ｌ。

２間に引き込み始める。

この時、第５図（Ｂ）に示すように電極１．２間に印加
していた電圧をスイッチ手段を介して解放する。

第５図（Ｂ）では誘電体３が電極１，２の間に距離Ｘだ
け引き込まれており、矢印で示す方向への力が発生して
いる。

この時電荷は第５図（Ａ）の状態でｌ−えられた量だけ
保持されているため、電荷量Ｑ（Ｘ）は次のように一定
である。

一方、静電エネルギーは誘電体３が滑り込むに従い減少
するが、この静電エネルギーＵ　（ｘ）はＸの関数で次
のように表される。

２ｄ　　ａｅｌ＋ｘ（ｅ２−ε１） これに対応して発生する力Ｆ　（ｘ）は次のように表さ
れる。

（ａ　ε１＋ｘ　（ｅ２−ε１ノン　’−ｚｄまた、電
極１．２間の電圧Ｖ　（ｘ）は次のように表される。

εｌ十−（ε２−εｌ） やがて、第５図（Ｃ）に示すように誘゛宅体３が電極１
．２の間に完全に入った時を見はからって電極１．２間
を短絡する。

すると、電極１，２にたまっていた電荷は無くなり、静
電エネルギーはｒＱＪとなる。

コノ時、Ｑ＝Ｏ，Ｕ＝０．Ｖ＝０−ｔ’ある。

この時、アクチュエータを介して結合した他のコンデン
サに第５図（Ａ）に示す位置関係で充電させれば、第５
図（Ｄ）に示すように誘電体３は電極１．２から引き抜
かれることになる。

この状態ではＱ＝ｏ　、Ｕ＝Ｏ、Ｖ＝Ｏであるため、引
き戻そうとする負の力は発生しない。

」二連したモータとしての動作のサイクルを線図で表す
と第６図（Ａ）〜（Ｃ）に示す如きである。

ところで、第５図（Ｂ）に示す状態で電極間に電圧をか
けたままにしておくと、電極に加わる電圧が常に一定で
あるため、静電エネルギーＵ　（ｘ）は次のように示さ
れる。

ｕ　（ｘ）　＝　　Ｃ（ｘ）　Ｖｏ　２また発生する力
Ｆ　（ｘ）は次のように表せる。

従って、動作サイクルは第７図（Ａ）、（Ｂ）に示すよ
うになる。

従ってこのような駆動方式を採用すると、定出力駆動に
はむくが、第５図（Ｃ）に示す動作で失われるエネルギ
ーは増加し、効率が悪くなる。

また、第５図（Ｂ）に示す動作の際に適当な大きざの抵
抗を介して電源につないだ場合、即ち第８図に示す場合
には次のような動作となる。

もし、抵抗が大きい場合には誘電体３が滑る（移動する
）瞬間には近似的に電源は切り離されており、滑りが停
止した後接続されると考えることができる。

従って、力Ｆ　（ｘ）は第９図に示すようになる。

またこの現象が連続的に生じると、力Ｆ　（ｘ）は第１
Ｏ図に示すようになる。

これは、第１１図に示すようにトルクは速度が早くなる
と低下することを示している。

モータとしての動作原理は以上の如きである。

■発電機としての動作 この場合の動作を第１２図（Ａ）〜（Ｄ）に示す。

即ち、第１２図（Ａ）に示すように電極１．２間に誘電
体３が存在する場合に、電極１．２間を電圧ＶＯで充電
すると、電荷量Ｑ、静電エネルギーＵは次のように表さ
れる。

Ｕ　　（ａ）　　−Ｃ（ａ）　　・Ｖｏ　　２この状態
で電極を電源から切り離し第１２図（Ｂ）に示すように
外から力を加えて誘電体３を電極１．２間から引き抜く
。

この時、誘電体３は電極１．２間に距１１１ｘだけ入っ
ているとすると、静電エネルギーＵ　（ｘ）と電圧Ｖ　
（ｘ）は次のように表される。

２　　ａ＠１＋ｘ（ｅ２−＠１） Ｑｌ＋−（ｅ２−＠ｔ） 誘電体が引き抜かれＸが減少した結果、静電エネルギー
は上昇し電極１．２間の電圧は上昇する。

この状態で第１２図（Ｃ）に示すように電極１．２を出
力端子側に接続すると電極の電荷は電圧ｖｌの出力とし
て取り出される。

この結果、Ｑ（０）、Ｕ（０）は次のようになる。

誘電体は放電した後の電極に残っている電荷によって生
じる力によって電極間に引き込まれる。

この結果、Ｕ　（ｘ）　　、Ｖ　（ｘ）は次のようにな
る。

以上の動作を鰻り返して発電が行なわれる。

動作サイクルは第１３図（Ａ）、ＣＢ）に示す如きであ
る。

［基本構造の説明］ 本発明を利用した電動装置の基本的な構造の一例は第３
図に示す如きである。第３図（Ａ）は平面図、第３図（
Ｂ）は正面図５第３図（Ｃ）は側面図である。

第３図において符号４で示すものは誘電体板からなるア
クチュエータで、その誘電率は第４図（Ｂ）に示すよう
に周期ｐで三角波的に増減する。

即ち。

である、（ただしｎは任意の整数） このアクチュエータ４には、例えば長手方向に（１１／
１８◆ｉ）ｐ　（ただしｉは任意の整数）の位置に、長
さ１／９ｐの孔１５〜１７が形成されており、その一端
には例えば動力を取り出すための動力取出し手段５が設
けられている。

このアクチュエータ４を挾んで上下に電極６〜１１．２
０〜２５が配置されている。

これら電極の長さは５／１８ｐ、幅はｂであり、これら
は第４図（Ａ）に示すように間隔ｍで配列されている。

また、アクチュエータ４の幅方向の一方の側縁に寄った
位置で、かつ前記孔１５〜１７と対向しうる位置におい
てアクチュエータ４の上側には受光素子３０〜３５が配
置されており、下側には発光素子３７〜４２が配置され
ている。

これらの素子の長さは５／１８ｐであり、各電極と誘゛
ｔｗ体の相対的位置関係を検出し、誘電体の誘電−１ス
が相対的に増加するか減少するかを検出する。

ところで、各電極はスイッチングトランジスタＴ、と抵
抗Ｒ１を介して第４図（Ｃ）に示すよう１こ市川Ｖｐの
電源に接続されており、また、スイッチングトランジス
タＴ２と抵抗Ｒ２を介して設置することができる。

また、スイッチングトランジスタＴ、、Ｔ２は制御回路
Ｃによって駆動される。

また、符号Ｓで示すものは発光素子用電源である。

以上のような回路構成によりアクチュエータ４の位置検
出用の孔の位置が受光素子と発光素子とにより検出され
、孔の位置が検出された時スイッチングトランジスタＴ
２が導通するようにし、それ以外の時にはスイッチング
トランジスタＴ１が導通するようにする。

電極と誘電体の配列ピッチの比が簡単な整数比であれば
ステッピングモータ的な動作となり、配列ピッチの比が
無理比であれば極めて滑らかな連動を行なうモータとな
る。

そして、電極及び高誘電率（誘電体）の部分は半導体の
製造方法を利用できるため、極めて高密度で配列するこ
とができ、ステッピングモータの場合には極めて微少ス
テップの制御が可能である。また通常のモータであれば
出力は極めて変動の少ない滑らかなものとなる。

［実施例］ 以下、図面に示す実施例に基づいて本発明の詳細な説明
する。

［第１実施例］ 第１図（Ａ）、（Ｂ）は本発明の第１の実施例を説明す
るもので、同図（Ａ）はモータを、同図（Ｂ）は発電機
を示している。

まず、第１図（Ａ）に示すモータについて説明する。

同図において符号５ｏで示すものは誘電体板で、符号５
１で示す部分が所定ピッチで配列された高誘電率の部分
である。

また、符号５２．５３で示すものは夫々電極で、電極は
５２はブラシ５４を有し、電極５３は接地されている。

また、符号５５で示すものは十電極、５６で示すものは
接地電極である。

第１図（Ａ）において誘電体板５ｏの移動方向は矢印で
示すように図中左方である。

また、左端の誘電体（高誘電率の部分）は現在電極５２
．５３間にあり、ブラシは開の状態にあり、力は発生し
ていない。

また、左から２番目の誘電体５１は電極５２゜５３間に
入った状態であり、ブラシは＋Ｖに接続され力が発生し
ている。

他の部分は図示の通りである。

なお、図示の状態で誘電体５１が半ピツチ左方に動くと
、電極の状態はすぐ左隣りのものと同じになる。

上述した構造により、動作原理で説明したように誘電体
板５０は左方に移動し、モータ（リニアモータ）として
の動作が行なわれる。

次に、第１図（Ｂ）に示す発電機の場合について説明す
る。

同図において符号６０で示すものは誘電体板で、符号６
１で示す部分が高誘電率の部分である。

また、符号６２．６３は電極を示し、電極６２にはブラ
シ６４が設けられている。

また、符号６５で示すものは励起電極で、低電圧の励起
電源６６に接続されている。

また、符号６７で示すものは出力電極で、母線側に接続
されている。

また、ＦＡ電体板６０の移動方向は矢印で示すように図
中右方である。

この状態で、第１２図（Ａ）〜（Ｄ）に示す動作を行な
い、発電が行なわれる。

［第２実施例］　（第１４図） 本実施例にあっては１枚のステータ電極８０４と、誘電
率の異なる誘電体８０５ａ、８０５ｂを周期的に円周上
に配置したアクチュエータ８０５からなる。このアクチ
ュエータは回転軸８０６を持つ、ある点で力を発生し連
動が生じるとその慣性を利用してアクチュエータを回転
させる。適切な位置で充放電を繰返すことで連続的な連
動を生じる。

号 ［第３実施例］　（第１テ図） 本実施例にあってはステータの電極が、周期的に基板８
１上に固定配置されており、ステータ８３を構成する。

アクチュエータ８６は基板８４上に所定の周期間隔をも
つ電極８５からなる。この際ステータ電極とアクチュエ
ータ電極の間に誘電体８０を配置すればエネルギーの変
換効率がＬ昇する。この誘電体は液体でもアクチュエー
タ電極を固定出来るような固体でもよい。

［第４実施例］　（第１６図） 本実施例にあっては周期的に配置されたステータ電極８
０７と７クチユエータ８１０とから構成されており、ア
クチュエータ８１０のステータ側には固定電極８０７と
の間の間隔が周期的に変化する電極８０９が固定されて
いる。

この電極間には液体及び固体の誘電体８１１を挾んでも
よい。

［第５実施例］　（第１７図） 本実施例は円板状の回転型で、ステータとなる基板８７
上には電極８８が複数個放射状に所定ピッチで固定され
ている。

また、アクチュエータは符号８９で示す！ｉｌ！体板で
、基板８７とほぼ同一の直径となっており、高誘電率の
部分８９ａと、低誘電率の部分８９ｂとが所定ピッチで
放射状に複数個形成されている。

実施例１，３．４のステータ電極を１個にし、この電極
によって誘起された連動の慣性を利用する為に適切な位
置で充放電を繰返すことで連続運動を生じさせることも
可能である。

また、実施例１，２．６のステータの電極の一方を連続
電極で置き換えることも可能で、この際は連＆Ａ！電極
はアクチュエータと一体化することも可能である。

なお、上述した第１〜第５の実施例のステータと、アク
チュエータとは複数層の構造としてもよい。

［第６実施例］　（第１８図） 本実施例は回転円筒体型で１円柱状のステータ９３を有
し、その周面には所定角度間隔で電極９４が複数個固定
されている。

また、符号９５で示すものはアウタロータ型の７クチユ
エータで、これは円筒状の電極９６と、その内側に固定
された円筒状の誘電体筒９７とから構成されている。

そして、誘電体筒９７には高誘電率の部分９７ａと低誘
電率の部分９７ｂとが交互に所定角度間隔で複数個形成
されている。

なお、第１８図に示す例はアウタロータ型のものとして
例示したが、いわゆるインナロータ型のものとして構成
−てもよい。

また、７ウタロータ型でも、インナロータ型のものでも
、複数段の構成を採用してもよい。

又誘電体筒９７を均一の誘電率を有する誘電体とする場
合は９６の電極を所定の大きさに分割し所定の間隔で固
定する。なおアクチュエータとステータを交互に８！［
層することも可能である。

［第７実施例］　（第１９図） 本実施例は螺旋状の回転昇降型を採用している。

即ち、円柱状のステータ９８と、円筒状のアクチュエー
タ９９とを有し、ステータ９８の周面には螺旋状の配列
をもって電極１００が所定ピッチで複数個固定されてい
る。

また、アウタロータ型の７クチユエータ９９は円筒状の
電極１０１と、円筒状の誘電体筒１０２とからなり、誘
電体筒１０２には同じく螺旋状の配列をもって高誘電率
の部分１０２ａと、低誘電率の部分１０２ｂとが所定ピ
ッチで配列されている。

また、第１９図に示す実施例にあってはアウタロータ型
の構造を示しであるが、いわゆるインナロータ型の構造
を採用してもよい。

更に、ステータ９８と７クチユエータ９９を複数個配列
した構造を採用してもよい。

なお、均一の誘電率をもつ誘電体を１０２として用いる
場合は電極１０２を所定の大きさに分割し所定の間隔で
固定すればよい。

［第８実施例］　（第２０図） 本実施例は３次元の動作を行なう構造で、球形のステー
タ１０３を有し、その球面上には３次元方向に所定間隔
で多数の電極１０４が固定されている。

一方、このステータ１０３の外側には中空で、かつ球状
の７クチユエータ１０５が３次元方向に回転自在に嵌合
されている。

この中空の球状のアクチュエータ１０５は外側に位置す
る電極１０６と内側に位置する誘電体１０７から構成さ
れており、誘電体１０７には高誘電率の部分１０７ａと
低誘電率の部分１０７ｂとが所定ピッチで配列されてい
る。

あるいは均一の誘電率をもつ誘電体を１０７で用いる時
は電極１０６を所定のピッチで配列する。

このような構造を採用すると、任意の赤道面上にある電
極を選択して駆動することにより、回転軸方向を任意に
設定でき、複雑な３次元の動作が可能である。

なお、アクチュエータ１０４の一部にはステータ１０３
の支持部をよけるための開口部１０５ａが形成されてい
る。

また、第２０図に示す例にあってはアウタロータ型のも
のを例示したが、インナロータ型のものであってもよい
ことは勿論である。

上述した各実施例は夫々モータとしても、発電機として
も使用することが可能である。

［第９実施例］　（第２１図） 本実施例は２次元の動作を行なう構造で、同図（Ａ）は
平板のステータ８１２を有し、その平板上には２次元方
向に所定の間隔で多数の電極８１３が縦方向及び横方向
に交互に隣接して固定されている。２次元平面の縦方向
に動かす場合は縦方向の配置電極を用い、横方向に動か
す場合は横方向配置の電極を用いる。

アクチュエータ８１４は同じく平面板で均一の誘電体を
用いる場合は電極８１５の位置を所定の間隔で固定する
。

なお、第２１図（Ｂ）に示すように誘電体を各々誘電率
の異なる８１５，８１６を組み合わせてアクチュエータ
８１７とする場合は所定の間隔で固定する。なお多層に
組み合わせる場合は１つの層を縦方向、１つを横方向の
動きが出来るような実施例１，３．４の組み合わせでも
可能である。

［第ｉｏ実施例］　（第２２図） 本実施例はアクチュエータ７０１とステータとの相対的
位置関係の検出法として１発光ダイオード７０３等の発
光がアクチュエータにあけられた穴７０２を通過するか
どうかを、フォトトランジスタ７０４等の受光素子で検
出するという光学的方法を使用している。光学的方法と
しては、この化アクチュエータの光反射率に変化をもた
せ反射光を用いる方法や、アクチュエータとステータの
一方ずつに発光素子と受光素子を用いる方法がある。

［第１１実施例］　（第２３図） 本実施例はアクチュエータ７０１とステータとの相対的
位置関係の検出法としてアクチュエータ７０１につけら
れた磁石７０６の磁気をホール素子７０５で検出する磁
気的方法を使用している。

［第１２実施例］　（第２４図） 本実施例はアクチュエータ７０１とステータの相対的位
置関係の検出法としてアクチュエータ７０１につけられ
た透磁率の異なる物質、（例えば金属）７０８により生
じた検出用小コイル７０７のりアクタンス変化を発振回
路７１５の発振周波数の変化として検出する方法を示し
ている。

［第１３実施例］　（第２５図、第２６図）第２５図に
示す実施例はアクチュエータ７０１とステータの相対的
位置関係の検出方法として。

コンデンサの電極７１８，７１９間の容量の変化を利用
する方法を示している。

一方、このコンデンサは主電極とは別に、検出用として
設置することも可能であるが、第２６図のように共用す
ることも可能である。この場合主電極７０９，７１０を
駆動する回路７１３がほぼ直流動作をすることを利用し
、コイル７１２により、容量変化検出用の高周波信号が
駆動回路７１３に入らないよう遮断し、一方、駆動電源
はコンデンサ７１１により容量変化検出回路７１８（ト
ランス７１４９発振回路７１５１周波数変化検出器７１
６）に入らないよう遮断している。

［第１４実施例］　（第２７図、第２８図）本実施例は
モータの場合で第２合図に示すようにコンデンサの容量
が７クチユエータの動きに従って増加する位置にあるコ
ンデンサ（Ｏ≦ｘ＜ｐ）のみ一定電圧の電源７２３を５
ＷＩ（７２０）を閉じて電極に接続し、それ以外の位置
にある電極はＳＷ２　（７２１）を閉じて短絡する等に
より定トルク特性を持つ動力を発生することができる例
である。

［第１５実施例］　（第２７図、第２９図）本実施例は
モータの場合で第２７図に示すようにコンデンサの容量
がアクチュエータの動きに従って増加しはじめる位置に
あるコンデンサにのみ、一定電圧の電源７２３をＳＷＩ
　（７２０）を閉じて電極に接続し、コンデンサの容量
が減少する位置にある電極はＳＷ２　（７２１）を閉じ
て短−絡することにより高効率特性を持つ動力を発生す
ることができる例である。

［第１６実施例］　（第３０図、第３１図）本実施例は
発電機の場合で第３０図に示すようにコンデンサの容量
が７クチユエータの動きに従って減少する位置の直前に
あるコンデンサにＳＷＩ　　（７３１）を閉じて励起電
源７３０を！続し、励起のための充電を行ない、次にＳ
Ｗ２を閉じて出力端子側に接続するようにして電力を発
生させる例である。

なお、効率を向上させるにはコンデンサを電源または出
力側に接続する時と、短絡または励起充電を行なう時と
で、第３２図に示すようにコンデンサを並列から直列に
切り替えるとよい。

［第１７実施例］ 本実施例は誘電体に関するもので、誘電体、特に高誘電
体としてはＰＴＺ、チタン酸バリウム等の高誘電体セラ
ミックスや３フツ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等
の高誘電高分子ポリマあるいはアクチン分子等の生体高
分子が考えられる。

なお、電極と誘電体間は極めて接近させることが必要で
あるが、接触の程度に限界があるので、電極や誘電体の
接触面に高誘電体セラミックスの微粉末を分散させた潤
滑剤を用いたり、高誘電高分子ポリマを潤滑剤として用
いたりすることが望ましい。

［第１８実施例］　（第３３図） 本実施例は図に示すように、誘電体板５０１を挾んで配
置された各電極５０２〜５０８の制御、は、それぞれ電
極側々につけられたアクチュエータとの相対位置検出装
置５１６〜５２２の出力に従い、駆動回路５０９〜５１
５を制御する例である。

即ち左方向へ動くモータとして使用する場合にはアクチ
ュエータの誘電率の高い部分が引き込まれはじめた位置
にある電動作用のある電極（例えば図中５０４．５０５
．５０８）には充電を行ない、誘電率の低い部分が引き
込まれはじめた位置にある発電作用のある電極（例えば
図中５０２゜５０３．５０６，５０７）は放電を行なう
よう。

相対位置検出装置５１６〜５２２は駆動回路５０９〜５
１５を制御する。

また各駆動回路には、制御信号５３０が加えられ、各駆
動回路の出力を調節する。これにより任意の駆動力を得
るようにする。

左方向に動かすことにより発電機として使用する場合に
は、発電作用のある電極（例えば図中５０２．５０３．
５０６．５０７）は出力母線と接続し、電動作用のある
電極（例えば図中５０４．５０５，５０８）は励起電源
と接続するように、相対位置検出装置５１６〜５２２は
駆動回路５０９〜５１５を制御する。

また各駆動回路には制御信号５３０が加えられ、各駆動
回路の出力を調節する。

［第１９実施例］　（第３４図） 本実施例は図に示すように、各電極５０２〜５０８の制
御はアクチュエータとの相対位置関係が同位相となるい
くつかの電極をまとめて、１つの相対位置検出装置５１
６〜５１９と１つの駆動回路５０９〜５１２で制御する
例である。

［第２０実施例］　（第３５図） 本実施例は図に示すように、１つの相対位置検出装置５
１６によりアクチュエータの相対位置を検出し、この信
号をもとに位相制御装置５２０で種々の相対位置関係に
ある電極を適切なタイミングで制御する例である。

［第２１実施例］　（第３６図） 本実施例は図に示すように、位相制御装置５２１ですべ
ての電極を制御しようというもので、モータとして使用
する。

即ち、一定周期で順次隣り合う位相の電極に電圧を加え
るよう、位相制御装置は駆動回路５０９〜５１２を制御
する。

例えば、図中５０５の電極（及びそれと同位相の電極）
に電圧を加えると７クチユエータは左に埼Ｐ動いて止ま
る。

そこで、５０４の電極に電圧を加えると更に、左に繕ｐ
動いて止まる。

次いで、５０３，５０２，５０５，５０４・・・という
具合に電圧を加えていくと、アクチュエータも順次左に
移動する。制御信号５３０は駆動回路５０９〜５１２の
出力を調節するだけでなく、位相制御装置５２１の周期
も制御する。

［効　果］ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、コン
デンサを１対以上使用しこのコンデンサに対しアクチュ
エータを適当な位置関係で結合し、各コンデンサに対し
適切な時点で充電あるいは放電を行なう構成を採用して
いるため、極めて簡単な構造により機械的エネルギーを
電気的エネルギーにまたはその逆に変換することができ
る。

また、製造に際しては半導体製造技術である薄膜堆積法
やフォトリソグラフィの技術を応用することができるた
め、極めて小型で精密な構造とすることができ、効率よ
くエネルギーの変換を行なうことができる。

また、モータとして構成した場合には直線的であれ回転
的であれ極めて均一な出力を得られるとともにステッピ
ングモータにした場合には極めて微細な位置制御が可能
となり、更に３次元の回転機能を得られるような構造体
を得ることができる。

また、発電機として使用した場合は前記モータと組合せ
て小型で高出力が得られるため人工臓器としての利用分
野が大きく広がる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）、（Ｂ）はモータ及び発電機に適用した場
合の第１の実施例を説明する斜、親図、第２図（Ａ）〜
（Ｌ）は基本原理の説明図、第３図（Ａ）〜（Ｃ）は原
理的な構造を説明する平面図、正面図、側面図、第４図
（Ａ）〜（Ｃ）は要部の構造を説明する説明図、誘電率
分布状態を示す線図及び動作を説明する回路図、第５図
（Ａ）〜（Ｄ）はモータとしての動作原理の説明図、第
６図（Ａ）〜（Ｃ）は動作サイクルを説明する線図、第
７図（Ａ）、（Ｂ）は定トルク駆動時における動作サイ
クルを説明する線図、第８図はモータとしての他の駆動
方式を示す説明図、第９図及び第１Ｏ図は他の駆動方式
における動作サイクルを説明する線図、第１１図はトル
クと滑り早さとの関係を示す線図、第１２図（Ａ）〜（
Ｄ）は発電機としての動作原理の説明図、第１３図（Ａ
）、（Ｂ）は発電機としての動作サイクルの説明図、第
１４図は本発明の第２実施例の説明図、第１５図は本発
明の第３の実施例の説明図、第１６図は本発明の第４の
実施例の説明図、第１７図は本発明の第５の実施例の説
明図、第１８図は本発明の第６の実施例の分解斜視図、
第１９図は本発明の第７の実施例の分解斜視図、第２０
図は本発明の第８の実施例の断面図、第２１図（Ａ）、
（Ｂ）は本発明の第９の実施例の斜視図、第２２図及び
第２３図は本発明の第１Ｏ及び第１１の実施例の説明図
、第２４図は本発明の第１２の実施例の説明図、第２５
図及び第２６図は本発明の第１３の実施例の説明図及び
回路図、第２７図及び第２８図は本発明の第１４の実施
例の回路図及び制御動作を説明する線図、第２９図は本
発明の第１５の実施例の制御動作を説明する線図、第３
０図及び第３１図は本発明の第１６の実施例の回路図及
び動作を説明する線図、第３２図は効率向上方法を説明
するブロック図、第３３図〜第３６図は本発明の第１８
〜第２１の実施例を説明する回路図である。 ４・・・誘電体 ６〜１２．２０〜２５・・・電極 １５〜１７・・・孔 ３０〜３６・・・受光素子 ３７〜４２・・・発光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 少なくとも一対以上の電極を用いこの電極が形成するコ
   ンデンサに対しアクチュエータを適切な位置関係で結合
   し、各コンデンサに対し適切な時点で充電あるいは放電
   を行なうように構成したことを特徴とする電気−力学又
   は力学−電気相互間のエネルギー変換装置。