WO2014034602A1

WO2014034602A1 - 静電誘導型変換装置およびｄｃ－ｄｃコンバータ

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Publication number: WO2014034602A1
Application number: PCT/JP2013/072724
Authority: WO
Inventors: 鈴木　雅人; 林　宏樹; 橋口　原; 達彦杉山
Original assignee: アオイ電子株式会社; 国立大学法人静岡大学
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2014-03-06
Also published as: US9425710B2; JP5798992B2; TW201414169A; JP2014050249A; US20150070941A1

Abstract

　静電誘導型変換装置は、第１の固定電極と、第１の固定電極に対向した第１の可動電極を有する入力側静電アクチュエータと、第１の可動電極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を介して第１の可動電極に連結されている第２の可動電極と、第２の可動電極に対向した第２の固定電極を有する出力側静電アクチュエータとを備え、入力側静電アクチュエータおよび出力側静電アクチュエータの可動電極側または固定電極側の電極面上に永久帯電膜を設ける。

Description

静電誘導型変換装置およびＤＣ－ＤＣコンバータ

　本発明は、静電誘導型変換装置およびＤＣ－ＤＣコンバータに関するものである。

　ＭＥＭＳ技術により作成された３端子型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知られている（特許文献１）。特許文献１に記載されている３端子型櫛歯アクチュエータは、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嵌合する第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嵌合する第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の櫛歯電極が同じ変位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ものである。

　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、且つ、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させることが開示されている（特許文献１の［図１］，［図２］参照）。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）、入力側静電アクチュエータの振動に伴って出力側静電アクチュエータも振動するので、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。ここで得られる出力電圧は交流であるので、後段に設けた回路で整流することにより昇圧された直流電圧が得られる。

日本国特開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ことになる。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）を弱くして回路のＱ値が高くなるように設計し、且つ空気抵抗を抑えるために真空封止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値を得るには、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。

　本発明の第１の態様によると、静電誘導型変換装置は、第１の固定電極と、第１の固定電極に対向した第１の可動電極を有する入力側静電アクチュエータと、第１の可動電極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を介して第１の可動電極に連結されている第２の可動電極と、第２の可動電極に対向した第２の固定電極を有する出力側静電アクチュエータとを備え、入力側静電アクチュエータおよび出力側静電アクチュエータの可動電極側または固定電極側の電極面上に永久帯電膜を設ける。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の静電誘導型変換装置において、第１の可動電極と、リンク機構部材と、第２の可動電極は、同一の材料を用いて形成されているのが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の静電誘導型変換装置において、リンク機構部材の端部または所定の中間位置に設けられているヒンジ機構を中心として、第１の可動電極とリンク機構部材と第２の可動電極とから成る可動部は、一体的に回動するのが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第３の態様の静電誘導型変換装置において、ヒンジ機構がリンク機構部材の端部に設けられている場合には、端部を中心として、第１の可動電極および第２の可動電極は同一の方向に回動し、ヒンジ機構がリンク機構部材の所定の中間位置に設けられている場合には、所定の中間位置を中心として、第１の可動電極および第２の可動電極は互いに逆の方向に回動するのが好ましい。
　本発明の第５の態様によると、第１から４のいずれか一の態様の静電誘導型変換装置において、入力側静電アクチュエータに交流入力信号を印加することにより第１の可動電極を振動させ、第１の可動電極の振動に対応して第２の可動電極を振動させることにより、出力側静電アクチュエータから、交流入力信号の電圧を昇圧または降圧した交流出力信号を得るのが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第５の態様の静電誘導型変換装置において、交流入力信号の電圧と、交流出力信号の電圧との比は、第１の可動電極の長さと、リンク機構部材の長さと、第２の可動電極の長さとに基づいて決定されるのが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の静電誘導型変換装置において、第２の可動電極が回動する支点と、第２の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｋとし、第２の可動電極の中間位置と、第１の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｌとしたとき、支点を中心として第１の可動電極および第２の可動電極が同一の方向に回動する場合には、交流入力信号の電圧ｅ_ｉｎと、交流出力信号の電圧ｅ_ｏｕｔとの比｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜は、｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜＝｜１＋３ａ_ｌ／２ａ_ｋ｜で与えられるのが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、ＤＣ－ＤＣコンバータは、第１から７のいずれか一の態様の静電誘導型変換装置と、入力直流電圧に基づいて決定されるゲインを有する増幅器と、整流回路とを備え、静電誘導型変換装置の入力側静電アクチュエータを増幅器の入力端子と出力端子との間に接続して自励発振回路を形成し、自励発振回路による交流信号が入力側静電アクチュエータに入力されることにより静電誘導型変換装置の入力側静電アクチュエータに対応する出力側静電アクチュエータから交流信号が出力され、整流回路は、出力側静電アクチュエータから出力される交流信号を整流して直流電圧を出力する。

　本発明によれば、静電アクチュエータの可動電極または固定電極に永久帯電膜を形成することにより、いわゆる静電トランスを実現することができるので、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およびＤＣ－ＤＣ変換機能を達成することができる。勿論、上記ＤＣ－ＤＣ変換機能に加えて、従来から知られている通常のトランスと同じくＡＣ－ＡＣ変換機能を達成することができる。

本発明を説明する前の前提的基礎技術として、ヒンジ機構を備えた静電型変換装置を示す平面図である。図１におけるヒンジの構造を示す説明図である。図１におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。本発明を説明する前の前提的基礎技術として、図１とは異なるヒンジ機構を備えた静電型変換装置を示す平面図である。図４におけるヒンジの構造を示す説明図である。図４におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。本発明に係る実施の形態１として構成した静電誘導型変換装置を示す平面図である。図７に示した静電誘導型変換装置の駆動点行列によって導かれる電気等価回路を示す図である。図７に示した静電誘導型変換装置のＳＰＩＣＥ等価回路を示す図である。ＳＰＩＣＥ等価回路を用いたシミュレーションの結果を示す図である。実施の形態１により構成したＺ方向振動型櫛歯静電トランスを示す図である。実施の形態１により構成したＹ方向振動型櫛歯静電トランスを示す図である。本発明に係る実施の形態２として構成したＤＣ－ＤＣコンバータを示す回路図である。図１３の回路図をより詳細に示した回路図である。ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる自励発振回路の動作原理を示した回路図である。可動部材の中間部にヒンジを設けた変形例１を示す図である。可動部材の中間部にヒンジを設けた変形例２を示す図である。

　本発明の実施の形態を詳細に説明する前に、本発明の前提となる基礎技術を説明する。
＜前提となる基礎技術の説明＞
§前提的基礎技術（その１）
　図１は、本発明を説明する前の前提的基礎技術として、ヒンジ機構を備えた静電型変換装置を示す平面図である。図２は、図１におけるヒンジの構造を示す説明図である。図３は、図１におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。

　前提的基礎技術としてここで説明する静電型変換装置は、入出力間での昇圧機能を果たすことができる。図１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嵌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嵌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を構成している。

　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ことが必要である。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技術を用いる図１の静電型変換装置では、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。図１の静電型変換装置では、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、特許文献１に記載されている３端子型櫛歯アクチュエータと異なり、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（Bias Temperature）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。

§前提的基礎技術（その２）
　図４は、本発明を説明する前の前提的基礎技術として、図１とは異なるヒンジ機構を備えた静電型変換装置を示す平面図である。図５は、図４におけるヒンジの構造を示す説明図である。図６は、図４におけるヒンジの回動状態を示す説明図である。入出力間で昇圧機能を果たすことは、図１に示した静電型変換装置と同じであるが、ここで説明する静電型変換装置は、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に示したヒンジ１２ｂの構造から明らかなように、図１の静電型変換装置と異なり、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、図１の静電型変換装置と同じく、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。

　次に、これまで説明してきた基礎技術を前提として、本発明を適用した静電誘導型変換装置の実施形態を詳細に説明する。
＜実施の形態１＞
　図７は、本発明に係る実施の形態１を示す平面図である。本図に示す静電誘導型変換装置は、先に説明した図４と同様に、可動部材６ｃ（１），６ｃ（２）がＺ軸方向に回動する構成となっている。ここで、一方の可動部材６ｃ（１）の端部（図７の左端部）は、図５に示したようなヒンジ１２ｃとなっている。換言すると、ヒンジ１２ｃに接続されている可動部材６ｃ（１）と、可動部材６ｃ（１）の延長側（図７の右側）に接続されている可動部材６ｃ（２）とにより構成されるリンク機構部材により、可動電極４ｃの変位量と可動電極８ｃの変位量に差を生じさせている。但し、基本的には、大きく振動する櫛歯のほうが昇圧時の入力側となっているので、図７の右側が入力側櫛歯、図７の左側が出力側櫛歯となる（その理由は、以下に説明していく）。

　なお、入出力間でＤＣ－ＤＣ変圧機能およびＡＣ－ＡＣ変換機能を果たすことは、図１～図６により説明した前提的基礎技術と同じであるが、構造上から見た大きな相違点として、次の２点が挙げられる。

　相違点１：図１および図４に示した可動部材６ａ，６ｂとは異なり、電気的な絶縁処理は不要である。換言すると、同一の導電材料を用いて可動電極４ｃ，８ｃおよび可動部材６ｃ（１），６ｃ（２）を形成することにより、静電型トランスとしての機能を果たすことができる。その理由は、後に詳述する。
　相違点２：図１および図４に示した入力側静電アクチュエータ２０ａ，２０ｂは単なる励振機構であるのでエレクトレット層は不要であったが、図７に示す静電誘導型変換装置では、可動電極４ｃまたは固定電極２ｃの対向電極面上にもエレクトレット層を形成してある。その理由は、後に詳述する。

　まず、図７に示した静電誘導型変換装置の電気等価回路を求めるために、ラグランジュの運動方程式から駆動点行列を求める演算過程を説明する。

　ラグラジアンＬは、次の式で表すことができる。

　上式の第２項に含まれている

は、いわゆる錘部（図７のa_lに含まれている部分）の質量を線p上に換算した等価質量である。

　また、散逸関数Ｆは、次の式で表すことができる。

　ここで、m_eはいわゆるバネ部（図７のa_kに含まれている部分）の実効質量、v₀は根本部の速度、ρは線密度、a_kはいわゆるバネ部の長さ（櫛中央まで）、a_lはいわゆる錘部の長さ（櫛中央まで）、kはバネ定数、YはＢＴ処理による戻り量、y₀はＺ軸方向変位、Q₀は根本部櫛歯の初期電荷、Q₂は先端部櫛歯の初期電荷、C₀は根本部櫛歯の初期容量、C₂は先端部櫛歯の初期容量、rは機械抵抗である。

　また、図７において、X₀は根本部櫛歯の重なり、X₂は先端部櫛歯の重なり、Y₀は荷電処理前の根本部櫛歯のＺ軸方向変位、Y₂は荷電処理前の先端部櫛歯のＺ軸方向変位、ｂは櫛歯の厚さである。

　上記のラグラジアンから線形近似により機械系・電気系の運動方程式を導き、駆動点行列を求めると、次式の通りとなる。

　この駆動点行列において、

である。

　また、
n₀：出力側櫛歯組数
n₂：入力側櫛歯組数
ε₀：真空誘電率
d₀：出力側櫛歯ギャップ
d₂：入力側櫛歯ギャップ
e₀：出力電圧
e₂：入力電圧
R：インピーダンスマッチング抵抗
ω：角周波数
である。

　以上のことから、

より、

　従って、電圧増幅率は、

となる。

　このように、各パラメータを設定することで、上式のように、入力電圧e₂に対して出力電圧e₀の値を変更することができる。すなわち、上式に基づいて、従来のコイルを不要とした静電型トランスを実現することが可能となる。さらに換言すると、入力電圧と出力電圧の比（＝電圧増幅率）は、所定の条件（Ｘ_０＝Ｘ_２，ｎ_０＝ｎ_２，ｄ_０＝ｄ_２）を満たしたとき、可動部の寸法値（ａ_ｋ，ａ_ｌ）に応じて所望の値に設定することができる。別の言い方をすると、第１の可動電極が回動する支点と、第１の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｋとし、第１の可動電極の中間位置と、第２の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｌとしたとき、上記の支点を中心として第１の可動電極および第２の可動電極が同一の方向に回動する場合には、前記交流入力信号の電圧ｅ_ｉｎと、前記交流出力信号の電圧ｅ_ｏｕｔとの比｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜は、
　｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜＝｜１＋３ａ_ｌ／２ａ_ｋ｜
で与えられることになる。

　図８は、図７に示した静電誘導型変換装置の駆動点行列によって導かれる電気等価回路を示す図である。図９は、その電気的等価回路に基づいて作成したＳＰＩＣＥ等価回路図である。図１０は、図９のＳＰＩＣＥ等価回路を用いたシミュレーション結果を示す図である。図１０から明らかなように、約３．９倍の電圧増幅率が得られた。これは一例であり、電圧増幅率は設計によって任意に変更できる。

　図１１は、図７に示した静電誘導型変換装置を用いたＺ方向振動型櫛歯静電トランスを示す図である。この静電トランスは、櫛歯対向面に酸化膜エレクトレットを形成し、入力側固定櫛歯電極と入力側可動電極間に電気的な交流信号を入力することにより、ＭＥＭＳ技術を用いた小型トランスとすることができる。

　当然のことながら、磁束を発生させることもないので、周囲にある素子に対して磁気による影響を与えることもない。また、入力側の静電櫛歯の容量値ないし入力インピーダンスよりも出力側の容量値ないし出力インピーダンスを小さくすることで昇圧するばかりでなく、逆に出力側の容量値を大きくすることで降圧することも可能となる。

　図１２は、Ｙ軸方向に櫛歯が回動するＹ方向振動型櫛歯静電トランスを示す図である。基本的な動作原理は、図１１のＺ方向振動型櫛歯静電トランスと同じであるので、説明は省略する。

　図１１および図１２に示した櫛歯静電トランスの構造および動作原理をまとめると、次の（i）～（v）に示す通りである。
（i）３端子の静電トランス構造を有している。

（ii）てこの原理などにより、入力側－出力側に振幅の差を与える。

（iii）静電容量および電気機械結合係数を適宜選択し、振幅が入力側＞出力側とるなる状況を実現することで、昇圧比を任意に設定することができる。

（iv）昇圧をする場合には、出力側の静電容量を図１，図４に示したものより小さくすることができるので、インピーダンスマッチングをとる際の電圧が高くなり、比較的容易に高電圧を得ることができる。

（v）前提的基礎技術として述べた図１，図４の場合には、てこの原理によりヒンジから離れた出力側の変位量を入力側の変位量より大きくし、静電誘導に得られた電荷を電流として取り出し、その出力電流に適切な負荷をかけて昇圧電圧を取り出していたので、降圧トランスとするためには、設計変更が必要であった。

　他方、図１１および図１２に示した櫛歯静電トランスでは、入力側および出力側の両方にエレクトレットを形成し、図１，図４の場合とは逆にした入出力接続とすることにより、インピーダンス（出力インピーダンス）が高い出力側から昇圧された電圧を取り出すことができる。したがって、単に入力側と出力側を逆に接続することにより、昇圧トランスと降圧トランスを切り替えることが可能となる。

　なお、入力側櫛歯と出力側櫛歯とでは、振動の振幅が異なることが望ましいが、振幅を共通とした場合であっても、［数６］，［数７］，［数１３］にあるように、櫛歯の容量やエレクトレットの荷電量などによって、電気機械結合係数（［数式１３］におけるＡおよびＢ）に違いを与えることによって、昇圧ないし降圧を実現することが可能である。

　そして振幅を共通としない場合、すなわちその振幅の違いは［数７］における寸法alおよびakによって表される。したがって［数式１３］におけるＢがそのぶん変化するので、昇圧ないし降圧する際の増幅率ないし低減率を大きくすることができる。

＜実施の形態２＞
　図１３は、静電型トランス（櫛歯静電トランス）を用いたＤＣ－ＤＣコンバータを示す回路図である。本図に示す静電型トランス５０は、これまで説明してきた図７，図１１，図１２と同じく複数の櫛歯を備えているが、図１３では１つの可動櫛歯のみを描いてある。ＡＧＣ（Auto Gain Control）機能付きのゲイン可変型増幅器６０の入力端子と出力端子との間に、この静電型トランス５０が挿入されている。ここで、上記ＡＧＣ機能を実現するための基準電圧として、直流電圧Ｖinを発生する直流電圧源が用いられている。発振信号の振幅は、直流電圧Ｖinの大きさに比例する。そして、整流回路７０を介して、直流電圧Ｖoutが出力される。

　図１４は、図１３の回路図をより詳細に示した回路図である。図１５は、ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる自励発振回路の動作原理を示した回路図である。

　このように、実施の形態２では、入力側櫛歯を帰還回路中に組み込んだ自励発振回路を形成することにより、ＤＣ－ＤＣコンバータを構成している。すなわち、入力側櫛歯に直流電圧が印加されると自励発振により交流信号が生じ、それにより櫛歯可動電極が振動する。櫛歯の共振周波数は自励発振の信号の周波数と同じにする。出力側の櫛歯可動電極が振動することにより生じた出力側の信号を整流し、出力電圧(ＤＣ)とする。なお、自励発振回路中に櫛歯アクチュエータを挿入すること、および、ＡＧＣ回路を用いて増幅器のゲインを制御することは、特許第４７０８４５５号（特開２００９－８６７１号）などに見られる通り周知であるので、詳細な説明は省略する。

＜その他の変形例＞
　図１６は、可動部材の中間部にヒンジを設けた変形例１を示す図である。本図に示す静電型変換装置は、実施の形態１で説明した通り、入出力間で昇圧／降圧機能を果たすことができる。但し、可動部材６ｅがヒンジ１２ｅ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６ｅの中間部を挟持する支持部材によりヒンジ１２ｅが実現されており、このヒンジ１２ｅの左側にある可動電極４ｅと、このヒンジ１２ｅの右側にある可動電極８ｅとはそれぞれ逆の方向に回動する。

　図１６から明らかなように、入力側静電アクチュエータ２０ｅの可動部材は、ヒンジ１２ｅを介して、出力側静電アクチュエータ３０ｅ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６ｅとなっている。

　可動電極８ｅとヒンジ１２ｅとの間の距離は、可動電極４ｅとヒンジ１２ｅとの間の距離より長く設定されている。ヒンジ１２ｅ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２ｅ，１０ｅと可動電極４ｅ，８ｅは、それぞれヒンジ１２ｅ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１６に示す通り、可動電極４ｅに連結されている可動部材６ｅはヒンジ１２ｅを中心として振動する。可動電極８ｅは、入力側可動電極４ｅ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、その振幅は可動電極４ｅにおける振幅よりも大となる。以上のことから、図１６に示した静電誘導型変換装置は、ヒンジ１２ｅにより挟持された可動部材６ｅにより回動される可動電極４ｅおよび可動電極８ｅを備えた昇圧トランス／降圧トランスであると言うことができる。

　図１７は、可動部材の中間部にヒンジを設けた変形例２を示す図である。本図に示す静電型変換装置は、実施の形態１で説明した通り、入出力間で昇圧／降圧機能を果たすことができる。但し、可動部材６ｆがヒンジ１２ｆ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６ｆの中間部を挟持する支持部材によりヒンジ１２ｆが実現されており、このヒンジ１２ｆの左側にある可動電極４ｆと、このヒンジ１２ｆの右側にある可動電極８ｆとはそれぞれ逆の方向に回動する。

　図１７から明らかなように、入力側静電アクチュエータ２０ｆの可動部材は、ヒンジ１２ｆ介して、出力側静電アクチュエータ３０ｆ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６ｆとなっている。

　可動電極８ｆとヒンジ１２ｆとの間の距離は、可動電極４ｆとヒンジ１２ｆとの間の距離より長く設定されている。ヒンジ１２ｆ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２ｆ，１０ｆと可動電極４ｆ，８ｆは、それぞれヒンジ１２ｆ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。

　可動電極４ｆに連結されている可動部材６ｆはヒンジ１２ｆを中心として上下に振動する。可動電極８ｆは、可動電極４ｆよりヒンジ１２ｆからはなれた円弧上を回動する。

－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（あるいは効果）を列挙する。

　静電型トランスは電界を利用しているため、静電遮蔽することにより他の素子への影響をなくすことができ、コイルを用いたトランスよりも小型化することができる。

　磁界の影響を受けにくく、且つ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用のトランス，磁界に敏感な光電子増幅装置用のトランスといった応用分野に適用することができる。

　自励発振回路中に用いることで、ＤＣ－ＤＣコンバータを構成することができる。

　可動部の端子間を絶縁する必要がなく、可動部全体をエレクトレットとすればよいので、構造自体が簡単となるばかりでなく、製造工程も簡略化することができる。

　入力側と出力側を切り替えるだけで、設計変更をすることなく、昇圧／降圧を切り替えることができる。

　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。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１２年第１９２１１３号（２０１２年８月３１日出願）

２　固定電極
４　可動電極
６　可動部材
８　可動電極
１０　固定電極
２０　入力側静電アクチュエータ
３０　出力側静電アクチュエータ

Claims

　第１の固定電極と、前記第１の固定電極に対向した第１の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の可動電極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を介して前記第１の可動電極に連結されている第２の可動電極と、前記第２の可動電極に対向した第２の固定電極を有する出力側静電アクチュエータとを備え、
　前記入力側静電アクチュエータおよび前記出力側静電アクチュエータの可動電極側または固定電極側の電極面上に永久帯電膜を設けた静電誘導型変換装置。
　請求項１に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記第１の可動電極と、前記リンク機構部材と、前記第２の可動電極は、同一の材料を用いて形成されている静電誘導型変換装置。
　請求項２に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記リンク機構部材の端部または所定の中間位置に設けられているヒンジ機構を中心として、前記第１の可動電極と前記リンク機構部材と前記第２の可動電極とから成る可動部は、一体的に回動する静電誘導型変換装置。
　請求項３に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記ヒンジ機構が前記リンク機構部材の端部に設けられている場合には、前記端部を中心として、前記第１の可動電極および前記第２の可動電極は同一の方向に回動し、
　前記ヒンジ機構が前記リンク機構部材の前記所定の中間位置に設けられている場合には、前記所定の中間位置を中心として、前記第１の可動電極および前記第２の可動電極は互いに逆の方向に回動する、
静電誘導型変換装置。
　請求項１から４のいずれか一項に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記入力側静電アクチュエータに交流入力信号を印加することにより前記第１の可動電極を振動させ、前記第１の可動電極の振動に対応して前記第２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、前記交流入力信号の電圧を昇圧または降圧した交流出力信号を得る静電誘導型変換装置。
　請求項５に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記交流入力信号の電圧と、前記交流出力信号の電圧との比は、前記第１の可動電極の長さと、前記リンク機構部材の長さと、前記第２の可動電極の長さとに基づいて決定される静電誘導型変換装置。
　請求項６に記載の静電誘導型変換装置において、
　前記第２の可動電極が回動する支点と、前記第２の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｋとし、
　前記第２の可動電極の前記中間位置と、前記第１の可動電極の中間位置との間の距離をａ_ｌとしたとき、
　前記支点を中心として前記第１の可動電極および前記第２の可動電極が同一の方向に回動する場合には、
　前記交流入力信号の電圧ｅ_ｉｎと、前記交流出力信号の電圧ｅ_ｏｕｔとの比｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜は、
　｜ｅ_ｏｕｔ／ｅ_ｉｎ｜＝｜１＋３ａ_ｌ／２ａ_ｋ｜
で与えられる静電誘導型変換装置。
　請求項１から７のいずれか一項に記載の静電誘導型変換装置と、
　入力直流電圧に基づいて決定されるゲインを有する増幅器と、
　整流回路とを備えたＤＣ－ＤＣコンバータであって、
　前記静電誘導型変換装置の入力側静電アクチュエータを前記増幅器の入力端子と出力端子との間に接続して自励発振回路を形成し、
　前記自励発振回路による交流信号が前記入力側静電アクチュエータに入力されることにより前記静電誘導型変換装置の前記入力側静電アクチュエータに対応する出力側静電アクチュエータから交流信号が出力され、
　前記整流回路は、前記出力側静電アクチュエータから出力される交流信号を整流して直流電圧を出力するＤＣ－ＤＣコンバータ。