(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（４）と、第２の電極（８、１０８）と、弾性的に変形可能な誘電材料の層（６）とを備える可変静電容量システムであって、前記誘電体層（６）が、前記第１の電極（４）と前記第２の電極（８、１０８）の間に配置され、第１のエレクトレット（１０）が前記第１の電極（４）と共に第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）を形成し、前記第１のエレクトレット（１０）が前記第２の電極（８、１０８）と共に第２のコンデンサ（ＣＯＮＤ２）を形成し、前記第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）および前記第２のコンデンサ（ＣＯＮＤ２）の静電容量（Ｃ１、Ｃ２）が、前記誘電体層（６）の変形と共に変化し、前記第１の電極（４）、前記第２の電極（８、１０８）および前記第１のエレクトレット（１０）が前記誘電体層（６）の変形に追従し、前記誘電体層（６）の変形が、前記第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）の前記静電容量（Ｃ１）と前記第２のコンデンサ（ＣＯＮＤ２）の前記静電容量（Ｃ２）の反対方向の変化をもたらし、前記第１の電極が、より近くで一緒に動くかまたは互いから遠く離れて動くことができる少なくとも２つの部分を備え、前記エレクトレットが、前記第１の電極の前記２つの部分の間に配置され、前記２つの部分の縁端部が前記第１のエレクトレット（１０）と共に前記第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）を形成し、前記第１のエレクトレット（１０）が前記誘電体層（６）の上または中に存在する可変静電容量システム。
【請求項２】
少なくとも前記第１の電極（４）には、前記第１のエレクトレット（１０）が配置された少なくとも１つの溝（１２）が備わっており、前記溝（１２）の前記縁端部が、前記溝（１２）に配置された前記第１のエレクトレット（１０）と共に前記第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）を形成し、前記第１のエレクトレット（１０）が前記誘電体層（６）の上または中に存在する請求項１に記載の可変静電容量システム。
【請求項３】
長手方向軸を有する円筒状の形状を有する可変静電容量システムであって、前記第１の電極が、一連の巻を形成する長手方向軸を有する巻いた導電性ワイヤで形成され、前記第１のエレクトレットが、２つの連続した巻の間に配置される請求項１に記載の可変静電容量システム。
【請求項４】
前記第２の電極（８）が、実質的に固体の層で形成されて前記誘電体層（６）で覆われており、前記第１の電極（４）が、前記第２の電極（８）と接触する面と向かい合った面上の前記誘電体層（６）を覆う請求項１、２または３に記載の可変静電容量システム。
【請求項５】
前記第２の電極も、一連の巻を形成する長手方向軸を有する巻いた導電性ワイヤで形成され、第２のエレクトレットが、少なくとも２つの連続した巻の間に配置され、前記第１の電極の前記巻と前記第２の電極の前記巻とがオフセットされており、その結果、前記第１のエレクトレットと前記第２のエレクトレットとが半径方向に整列していない請求項３に記載の可変静電容量システム。
【請求項６】
前記第２の電極（１０８）も、前記第１エレクトレット（１０）のものと反対の電荷を有する第２のエレクトレット（１１０）が配置された少なくとも１つの溝（１１２）を備え、その結果、前記第２の電極（１０８）が前記第２のエレクトレット（１１０）と共に第４の可変静電容量（Ｃ４）のコンデンサ（ＣＯＮＤ４）を形成し、前記第１の電極（４）が前記第２のエレクトレット（１１０）と共に第５の可変静電容量（Ｃ５）のコンデンサ（ＣＯＮＤ５）を形成し、前記誘電体層（６）の変形に伴って、前記第１のコンデンサ（ＣＯＮＤ１）および前記第４のコンデンサ（ＣＯＮＤ４）の静電容量（Ｃ１、Ｃ４）が同一方向に変化し、前記第２のコンデンサ（ＣＯＮＤ２）および前記第５のコンデンサ（ＣＯＮＤ５）の静電容量（Ｃ２、Ｃ５）が同一方向に変化する請求項２に記載の可変静電容量システム。
【請求項７】
前記第１のエレクトレット（１０）および／または前記第２のエレクトレット（１１０）が、前記溝（１２、１１２）の中心または２つの連続した巻によって実質的に正確に画定されたゾーンの中心に実質的に配置される請求項２から６に記載の可変静電容量システム。
【請求項８】
前記第１のエレクトレット（１０）および／または前記第２のエレクトレット（１１０）が、前記溝（１２、１１２）を充填し、および前記溝（１２、１１２）の前記縁端部と接触し、あるいは前記第１のエレクトレット（１０）および／または前記第２のエレクトレット（１１０）が、前記２つの連続した巻によって画定された前記ゾーンを充填し、および前記巻に接触している請求項２から６のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項９】
前記第１のエレクトレット（１０）および／または前記第２のエレクトレット（１１０）が、例えばコロナ法により、前記溝（１２、１１２）によって画定された前記誘電体層（６）をイオン化することによって形成される請求項１から８のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項１０】
前記第１のエレクトレットおよび／または前記第２のエレクトレット（１１０）が、前記誘電体層（６）上に堆積された粉末の形態である請求項１から８のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項１１】
前記誘電体層（６）が、例えばＶＨＢ（登録商標）、有利にはＶＨＢ４９１０（登録商標）のタイプのポリマーで作製され、前記第１の電極（４）および前記第２の電極（８、１０８）が、例えば銅、銀、銀のグリース、炭素粉末、金、導電性ポリマーから、あるいは前記誘電体の表層上にイオンを注入する形で作製される請求項１から１０のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項１２】
前記第１および／または第２の電極が、弾性的に変形可能な構造を有する請求項１から１１のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項１３】
前記第１の電極（４）および／または前記第２の電極（１０８）が、相互に接続された１組のバー（１８）により、いくつかの溝（１２、１１２）を画定する格子を形成するように形成され、それぞれの溝の中に前記第１のエレクトレット（１０）および／または前記第２のエレクトレット（１１０）が配置される、請求項２または６のいずれかと組み合わせた請求項１２に記載の可変静電容量システム。
【請求項１４】
前記格子がその面の１つの方向に変形しても、前記面に含まれる別の方向の変形が生じないか、またはほとんど生じない請求項１３に記載の可変静電容量システム。
【請求項１５】
前記バー（１８）が、並んで配置されたモミ形状を形成し、前記モミ形状が、それらの分岐の終端によって電気的に接続されている請求項１４に記載の可変静電容量システム。
【請求項１６】
前記バー（１８）が平行なジグザグパターンの並びを形成し、前記並びが、２つの連続した並びの間に延びる相互接続バーによって電気的に相互接続されている請求項１４に記載の可変静電容量システム。
【請求項１７】
前記格子が、その面の１つの方向に変形すると、前記面に含まれる別の方向に変形が生じる請求項１３に記載の可変静電容量システム。
【請求項１８】
前記格子が、ジグザグパターンの並びを有し、前記ジグザグパターンの２つの連続した並びが菱形形状を形成するように、２つの連続した並びがハーフピッチだけオフセットされ、相互接続バーが、前記ジグザグパターンの２つの連続した並びのポイントを接続し、これらのポイントが前記菱形の頂点である請求項１７に記載の可変静電容量システム。
【請求項１９】
前記バー（１８）が、ハチの巣形の溝を画定している請求項１３に記載の可変静電容量システム。
【請求項２０】
前記第１の電極（４）および前記第２の電極（８、１０８）が、前記誘電体層（６）で分離された前記第１の電極（４）および前記第２の電極（８、１０８）によって形成される前記コンデンサの前記静電容量（Ｃ３）が最小限になるようなものである請求項１から１９のいずれかに記載の可変静電容量システム。
【請求項２１】
前記第２の電極（８、１０８）が、前記第１の電極（４）と前記第２の電極（８、１０８）の向かい合った表面が縮小されるように、例えば溝を有する構成である請求項２０に記載の可変静電容量システム。
【請求項２２】
請求項１から２１のいずれかに記載の可変静電容量システムを少なくとも２つ備える可変静電容量の組立体であって、前記システムが重ねられ、誘電体層（６）が、前記システムのうちの１つの前記第２の電極（８、１０８）と他方のシステムの前記第１の電極（４）の間に挟まれる可変静電容量の組立体。
【請求項２３】
請求項１から２１のいずれかに記載の可変静電容量システムを少なくとも１つ備える、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムであって、力学的エネルギーの電気エネルギーへの前記変換が、前記誘電体層（６）の初期形状からの変形段階、および歪んだ形状から初期形状へ戻る期間中に起きるシステム。
【請求項２４】
力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するための、請求項２３に記載の可変静電容量システムであって、スイッチが、装置へ指令を送るように設計されたタイプであり、前記第１の変形段階の期間中に生成された電気エネルギーが、前記装置へ前記指令を送るために用いられ、したがって前記変換システムが自己動力であるシステム。
【請求項２５】
請求項３または５と組み合わせた請求項２３に記載の、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムであって、前記可変静電容量システムが円筒状スリーブの形状を有し、前記ワイヤが前記スリーブの軸に沿って巻かれており、前記スリーブは２つの要素を有する前記軸の終端で固定され、前記２つの要素が、前記スリーブの前記軸に沿って、より近くで一緒に動くかまたは互いから遠く離れて動くことができ、前記２つの要素の相対運動により、前記スリーブが軸方向に変形するシステム。
【請求項２６】
前記可変静電容量システムが、前記要素の上に固定された前記スリーブの長手方向終端上のその層の間に剛体の膜を備えている請求項２５に記載の変換システム。
【請求項２７】
前記第１の電極と前記第２の電極との間の電圧の印加は、前記システムの平均平面の変形および／または前記平均平面に対して垂直な方向の変形、あるいは前記スリーブの長手方向軸に沿った変形を引き起こす、請求項１から２１のいずれかに記載の可変静電容量システムを少なくとも１つ備えるアクチュエータ。
【請求項２８】
例えばリソグラフィによって、前記誘電体層（６）の面の上に前記第１の電極（４）を堆積するステップと、
分極化して前記第１の電極（４）の少なくとも１つの溝（１２）の中に前記第１のエレクトレット（１０）を形成するように設計された、例えばテフロン（登録商標）またはパリレンの材料を堆積するステップと、
前記材料を分極化するステップと、
例えばリソグラフィによって、前記誘電体層（６）のもう一方の面上に前記第２の電極（８、１０８）を堆積するステップと、を含む請求項２または６に記載の可変静電容量システムの製造方法。
【請求項２９】
前記第２の電極（１０８）の前記少なくとも１つの溝の中に、分極化して前記第２のエレクトレット（１１０）を形成するように設計された例えばテフロン（登録商標）またはパリレンの材料を堆積するステップと、
前記材料を分極化するステップと、の追加のステップを含む請求項２８に記載の製造方法。
【請求項３０】
前記第１の電極（４）を堆積する以前に、前記誘電体層（６）に延長の予荷重を与えるステップを含む請求項２８または２９に記載の製造方法。
【請求項３１】
前記第１のエレクトレット（１０）または前記第２のエレクトレット（１１０）を分極させた後に前記予荷重を調整するステップを含む請求項２８から３０のいずれかに記載の製造方法。
【請求項３２】
前記誘電体層（６）が細長片の形式であり、そのゾーンは前記製造方法の別々のステップを同時に受けている請求項２８から３１のいずれかに記載の製造方法。
【請求項３３】
そのようにして得られた前記細長片が、前記製造方法の最後で、それ自体に巻きつけられて多層の可変静電容量システムを形成している請求項３２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギーを回復するのに使用される、あるいは端子に電圧を印加することによりアクチュエータとして使用される可変静電容量デバイスに関し、より詳細には1つまたはいくつかのエレクトレットによって分極される可変静電容量デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
エネルギー回復分野では、少なくとも1つの固定電極と空隙によって分離されて向かい合った少なくとも1つの可動電極を有する可変静電容量システムを使用することが知られている。外部振動によって、可動電極を動かし、かつシステムに対して正確な瞬間に電荷を注入したり回収したりすることにより、振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
【０００３】
変形可能なポリマーによって形成された空隙を使用するシステムも、例えば、文献「Dielectric polymer: scavenging energy from human motion」、Claire Jean-Mistral、  Skandar Basrour、Jean-Jacques Chaillout、「Electroactive Polymer Actuators and Devices」、(EAPAD) 2008、Bar-Cohen、Yoseph編集、Proceedings of the SPIE、Volume 6927、692716-1〜692716-10頁  (2008)からよく知られている。これらのシステムも、エネルギー回復サイクルを生成するのに各サイクルで構造体を分極化する必要がある。この分極化には、静電構造体に、電荷を移送し、常時利用可能な最小のエネルギーを供給し、かつ最大静電容量を検出するのに電子的手段が必要とされる。これによって、かなりの電気損が生じ、システムが非常に複雑になる。
【０００４】
電極を分極させるのにエレクトレットを使用することもよく知られている。この場合、もはや各サイクルで構造体を分極化する必要はなく、もはや電荷の注入および回収を管理する必要はない。エレクトレットは、電子またはイオンのいずれかで電荷が蓄積される電気的絶縁材料であることに留意されたい。エレクトレットは分極化が可能であるが、電流を伝導することはできない。
【０００５】
エレクトレットを実施するエネルギー回復システムは既知である。例えば、文献「Efficiency Evaluation of Micro Seismic Electret Power Generator」、T. Tsutsumino、Y. Suzuki、N. Kasagi、K. Kashiwagi、Y. Morizawa、Proceedings of the 23rd Sensor Symposium、2006年、Takamatsu、521〜524頁がある。この文献で説明されている構造体は、ベース電極上に堆積されてベース電極と共に一定静電容量のコンデンサを形成するエレクトレットと、エレクトレットから空気の層で分離されてエレクトレットと共に可変静電容量のコンデンサを形成する可動電極とを備える。可動電極はエレクトレットと平行に移動する。可動電極およびエレクトレットによって形成されたコンデンサの静電容量の変化は、向かい合った表面の変化によって達成される。
【０００６】
電荷は、ベース電極と可動電極の間の充電抵抗を介して、ベース電極と可動電極の間で可動電極の位置の関数で再分配される。
【０００７】
エレクトレットを使用する他の可変静電容量エネルギー回復システムも、「An Electret-based Electrostatic μ-generator」、T. Sterken、P. Fiorini、K. Baert、R. Puers, G. Borghs、TRANSDUCERS '03、The 12th International Conference on Solid State Sensors、Actuators and Microsystems、Boston、2003年6月8日〜12日、  0-7803-7731-1/03/$17.00、著作権2003 IEEE 1291、  1291〜1294頁、および「Harvesting Energy from Vibrations by a Micormachined Electret Generator」、T. Sterken、P. Fiorini、G. Altena、C. Van Hoof and R. Puers、  1-4244-0842-3/07/$20.00、著作権2007 IEEE、129〜132頁の文献から知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】「Dielectric polymer: scavenging energy from human motion」、Claire Jean-Mistral、Skandar Basrour、Jean-Jacques Chaillout
【非特許文献２】「Electroactive Polymer Actuators and Devices」、(EAPAD) 2008、Bar-Cohen、Yoseph編集、Proceedings of the SPIE、Volume 6927、692716-1〜692716-10頁  (2008)
【非特許文献３】「Efficiency Evaluation of Micro Seismic Electret Power Generator」、T. Tsutsumino、Y. Suzuki、N. Kasagi、K. Kashiwagi、Y. Morizawa、Proceedings of the 23rd Sensor Symposium、2006年、Takamatsu、521〜524頁
【非特許文献４】「An Electret-based Electrostatic μ-generator」、T. Sterken、P. Fiorini、K. Baert、R. Puers, G. Borghs、TRANSDUCERS '03、The 12th International Conference on Solid State Sensors、Actuators and Microsystems、Boston、2003年6月8日〜12日、0-7803-7731-1/03/$17.00、著作権2003 IEEE 1291、  1291〜1294頁
【非特許文献５】「Harvesting Energy from Vibrations by a Micormachined Electret Generator」、T. Sterken、P. Fiorini、G. Altena、C. Van Hoof and R. Puers、  1-4244-0842-3/07/$20.00、著作権2007 IEEE、129〜132頁
【非特許文献６】「Electroactive Polymer Actuators and Devices」、  (EAPAD) 2008、Yoseph Bar-Cohen編集、Proc. of SPIE Vol. 6927 69270W-1
【非特許文献７】「Parylene HT based electret rotor generator」、MEMS 2008、Tucson、AZ、USA、2008年1月13日〜17日、984〜987頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
分極化に関して問題のない変形可能な誘電材料から作製された空隙を有するそのような可変静電容量システムを作製することができるのが好ましい。
【００１０】
したがって、本発明の目的の1つに、既存のシステムに対して設計が簡易化した、弾性的に変形可能な材料から作製された空隙を備える可変静電容量システムを提供することがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的は、誘電材料によって分離された少なくとも2つの電極を備えるシステムによって達成され、少なくとも1つの電極は、より近くで一緒に動くかまたは互いから遠く離れて動くことができる少なくとも2つの部分を有し、これらの部分の間の空間にエレクトレットが配置される。エレクトレットは第1の電極と共に第1の可変静電容量コンデンサを形成し、エレクトレットと第2の電極とで第2の可変静電容量コンデンサを形成する。
【００１２】
換言すれば、電極の変形により、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するか、または電気エネルギーを力学的エネルギーに変換するシステムが形成され、このシステムは、それぞれがエレクトレットによって分極化された少なくとも2つの可変静電容量コンデンサを備え、システムが変形するとき、コンデンサの静電容量は反対方向に変化する。したがって、一方の静電容量が増加するとき他方の静電容量が減少する。静電容量のこの反対方向の変化が、電極間の電荷の移送および電気エネルギーの生成をもたらす。
【００１３】
一実施形態は、その面で弾性的に変形する切抜きを有する構造体を備え、したがって、エレクトレットは形成されたウィンドウの内側に配置される。切抜きを有する少なくとも1つの電極を使用することにより、静電容量とは反対方向の変化を同一の誘電体上で得ることが可能であり、これによって各電極の電荷の変化が生じ、したがって電極間の電流が生成される。
【００１４】
螺旋形に巻いたワイヤを有する電極を使用することもでき、ワイヤがまわりに巻かれているか、あるいは周囲に誘電体があって、2つのワイヤ巻の間にエレクトレットがある。
【００１５】
特に有利には、2つの電極は、回復される電気エネルギーの量を増加することができる切抜きを有するか、または螺旋形に巻かれたワイヤの形をしている。
【００１６】
本発明の主題は、主として、第1の電極と、第2の電極と、弾性的に変形可能な誘電材料の層とを備える可変静電容量システムであり、前記誘電体層は第1の電極と第2の電極の間に配置され、第1のエレクトレットが第1の電極と共に第1のコンデンサを形成し、第1のエレクトレットが第2の電極と共に第2のコンデンサを形成し、誘電体層の変形に伴って第1および第2のコンデンサの静電容量が変化し、第1の電極、第2の電極および第1のエレクトレットが誘電体層の変形に追従し、誘電体層の変形が、第1のコンデンサの静電容量と第2のコンデンサの静電容量の反対方向の変化をもたらし、第1の電極は、より近くで一緒に動くかまたは互いから遠く離れて動くことができる少なくとも2つの部分を備え、前記エレクトレットは第1の電極の前記2つの部分の間に配置され、これらの部分の縁端部が第1のエレクトレットと共に第1のコンデンサを形成し、前記第1のエレクトレットは誘電体層の上または中に存在する。
【００１７】
一実施形態では、少なくとも第1の電極には、第1のエレクトレットが配置された少なくとも1つの溝が備わっており、前記溝の縁端部が、前記溝に配置された第1のエレクトレットと共に第1のコンデンサを形成し、前記第1のエレクトレットは誘電体層の上または中に存在する。
【００１８】
別の実施形態では、可変静電容量システムは、長手方向軸を有する円筒状の形状を有し、第1の電極は、一連の巻を形成する長手方向軸を有する巻いた導電性ワイヤで形成され、第1のエレクトレットは、2つの連続した巻の間に配置される。
【００１９】
第2の電極は、実質的に固体の層でよく、誘電体層で覆われており、第1の電極が、第2の電極と接触する面と向かい合った面上の誘電体層を覆う。
【００２０】
一変形形態では、第2の電極は、一連の巻を形成する長手方向軸を有する巻いた導電性ワイヤで形成されてよく、第2のエレクトレットは少なくとも2つの連続した巻の間に配置され、第1の電極の巻と第2の電極の巻とがオフセットされており、その結果、第1のエレクトレットと第2のエレクトレットとは半径方向に整列しない。
【００２１】
別の変形形態では、第2の電極も、第1エレクトレットのものと反対の電荷を有する第2のエレクトレットが配置された少なくとも1つの溝を備え、その結果、第2の電極が第2のエレクトレットと共に第4の可変静電容量コンデンサを形成し、第1の電極が第2のエレクトレットと共に第5の可変静電容量コンデンサを形成し、誘電体層の変形に伴って、第1および第4のコンデンサの静電容量は同一方向に変化し、第2および第5のコンデンサの静電容量は同一方向に変化する。
【００２２】
例えば、第1および/または第2のエレクトレットは、前記溝の中心または2つの連続した巻によって画定されたゾーンの中心に実質的に正確に、実質的に配置されてよい。この実施形態は、剛体のエレクトレットの場合には特に有利である。
【００２３】
一変形形態では、第1のエレクトレットおよび/または第2のエレクトレットが、溝を充填して前記溝の縁端部と接触し、あるいは第1のエレクトレットおよび/または第2のエレクトレットが、2つの連続した巻によって画定されたゾーンを充填して前記巻と接触する。
【００２４】
別の変形形態では、第1のエレクトレットおよび/または第2のエレクトレットは、例えばコロナ法により、溝によって画定された誘電体層をイオン化することによって形成することができる。この実施形態は、誘電体層上の余分な堆積を回避する。
【００２５】
一変形形態では、第1のエレクトレットおよび/または第2のエレクトレットは、誘電体層上に堆積された粉末の形式である。
【００２６】
一例として、誘電体層は、例えばVHB(登録商標)、有利にはVHB F9460、VHB F9469、VHB F9473、VHB4905(登録商標)、さらにはVHB4910(登録商標)といったタイプのポリマーで作製され、第1および第2の電極は、例えば銅、銀、銀のグリース、炭素粉末、金または導電性ポリマーから作製される。
【００２７】
有利には、第1および/または第2の電極は、弾性的に変形可能な構造を有する。
【００２８】
次いで、相互に接続された1組のバーで、第1の電極および/または第2の電極が、いくつかの溝を画定する格子を形成するように形成され得て、それぞれの溝の中に第1のエレクトレットおよび/または第2のエレクトレットが配置される。
【００２９】
格子が、その面の1つの方向に変形しても、面に含まれる別の方向の変形はゼロまたはごく小さなものであり得る。例えば、バーは、それらの分岐の終端によって電気的に接続されて、平行して配置されたツリー構造または平行した山形の並びを形成し、前記並びは、2つの連続した並びの間に延びる相互接続バーによって電気的に相互接続される。
【００３０】
また、この格子では、その面の1つの方向の変形が、この面に含まれる別の方向の変形を引き起こす。この場合、格子は、2つの連続したジグザグパターンの並びがピッチの半分だけオフセットされて菱形形状を画定するジグザグパターンの並びを備えることができ、相互接続バーにより、ジグザグパターンの2つの連続した並びの菱形の頂点のポイントが接続される。
【００３１】
相互接続バーは、ハチの巣形の溝を画定することもできる。この形状は、溝の中心に正確に堆積された剛体のエレクトレットを使用するものに特に適合する。
【００３２】
有利には、第1および第2の電極は、誘電体層で分離された第1および第2の電極によって形成されるコンデンサの静電容量が最小限になるようなものである。これを達成するために、第1および第2の電極の向かい合った表面が縮小するように第2の電極を構成することを条件とすることができる。
【００３３】
本発明の主題は、本発明による少なくとも2つのシステムを備える可変静電容量組立体でもあり、前記システムは重ねられ、誘電体層が、システムのうちの1つの第2の電極と他方のシステムの第1の電極の間に挟まれる。
【００３４】
本発明の主題は、本発明による少なくとも1つのシステムを備える、力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムでもあり、力学的エネルギーの電気エネルギーへの変換は、誘電体層の初期形状からの変形段階、および歪んだ形状から初期形状へ戻る期間中に起きる。
【００３５】
力学的エネルギーを電気エネルギーに変換するためのシステムは、装置へ指令を送るように設計されたスイッチタイプでよく、装置へ指令を送るために、第1の変形段階の期間中に生成された電気エネルギーが用いられ、したがって変換システムは自己動力である。
【００３６】
可変静電容量システムは、円筒状スリーブの形状でよく、ワイヤがスリーブの軸に沿って巻かれており、前記スリーブの軸の終端が2つの要素に固定され、これらの要素は、スリーブの軸に沿って、より近くで一緒に動くかまたは互いから遠く離れて動くことができ、その結果、2つの要素の相対運動により、スリーブが軸方向に変形する。一変形形態では、可変静電容量システムは、要素に固定されたスリーブの長手方向の終端で、その層の間に剛体の膜を含む。
【００３７】
本発明の主題は、本発明による少なくとも1つのシステムを備えるアクチュエータでもあり、第1の電極と第2の電極の間に電圧を印加すると、システムの平均平面の変形および/または前記平均平面に対して垂直な方向の変形、あるいはスリーブの長手方向軸に沿った変形が生じる。
【００３８】
本発明の主題は、
-  例えばリソグラフィによって、誘電体層の1つの面上に第1の電極を堆積するステップと、
-  第1の電極の少なくとも1つの溝の中に第1のエレクトレットを形成するように設計された例えばテフロン（登録商標）またはパリレンの材料を堆積するステップと、
-  前記材料を分極化するステップと、
-  例えばリソグラフィによって、誘電体層のもう一方の面上に第2の電極を堆積するステップとを含む、本発明による可変静電容量システムの製造方法でもある。
【００３９】
本発明による方法は、
-  第2の電極の少なくとも1つの溝の中に、分極化して第2のエレクトレットを形成するように設計された例えばテフロン（登録商標）またはパリレンの材料を堆積するステップと、
-  前記材料を分極化するステップとの追加のステップを含むこともできる。
【００４０】
第1の電極を堆積する以前に誘電体層を引き延ばすことによって予荷重を加えるステップ、ならびに第1または第2のエレクトレットの分極化後に予荷重を調整するステップも含むことができる。
【００４１】
本発明による方法は、そのゾーンが製造方法の別々のステップを同時に受ける細長片の形で誘電体層を使用することができる。
【００４２】
このように得られた細長片は、製造方法の最後で、例えばそれ自体に巻きつけられて多層の可変静電容量システムを形成する。
【００４３】
以下の説明および添付図の助けにより、本発明がより明らかに理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１ａ】本発明による可変静電容量システムの実施形態の変形していない状態における側面図である。
【図１ｂ】図1のシステムの詳細図である。
【図１ｃ】図1のシステムの一変形形態の詳細図である。
【図２】図1のシステムの変形した状態における側面図である。
【図３Ａ】本発明によるシステムで実施され得る切抜きを有する電極の実施形態の上面図である。
【図３Ｂ】本発明によるシステムで実施され得る切抜きを有する電極の実施形態の上面図である。
【図３Ｃ】本発明によるシステムで実施され得る切抜きを有する電極の実施形態の上面図である。
【図３Ｄ】本発明によるシステムで実施され得る切抜きを有する電極の実施形態の上面図である。
【図３Ｅ】本発明によるシステムで実施され得る切抜きを有する電極の実施形態の上面図である。
【図４】反対の電荷を有する2つのエレクトレットを備える本発明によるシステムの変形しない状態における側面図である。
【図５】図4のシステムの変形した状態における側面図である。
【図６ａ】本発明による図1のシステムに基づく多層システムの側面図である。
【図６ｂ】本発明による図4のシステムに基づく多層システムの側面図である。
【図７】本発明によるシステムの概略図である。
【図８Ａ】アクチュエータとして動作する本発明によるシステムの概略側面図である。
【図８Ｂ】アクチュエータとして動作する本発明によるシステムの概略側面図である。
【図９】本発明によるシステムを実施するスイッチの概略図である。
【図１０Ａ】本発明による可変静電容量システムを別の実施形態によって組み込むデバイスの斜視図である。
【図１０Ｂ】図10Aのデバイスの長手方向の断面図である。
【図１１】本発明によるシステムを作製する方法の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図1および図2は、それぞれ、本発明による可変静電容量システム2の実施形態の変形していない状態および変形した状態を示す。
【００４６】
本発明によるシステム2は、誘電材料の層6の上に堆積された切抜きを有する層を形成する第1の電極4を備え、第2の電極8が連続した層の面を形成し、エレクトレット10が、第1の電極4の溝12内の誘電材料の上または中に配置されている。
【００４７】
誘電体層6は弾性的に変形可能である。例えば、誘電体層6は、VHB(登録商標)のタイプの誘電体ポリマーで作製することができる。
【００４８】
誘電体層を形成する材料は、一般に圧縮性でなく、あるいはほとんど圧縮性でない。この低圧縮性または非圧縮性により、厚さの減少に関連して表面積が増加し、また、厚さの増加とは反対に表面積が縮小し、したがって静電容量の値の改善された効果を得ることが有利に可能になる。実際、静電容量は表面積/厚さの比に比例する。したがって、表面積の増加および厚さの減少が、静電容量の大きな増加をもたらす。同様に、表面積の縮小は厚さの増加を意味し、また、結果的に静電容量のかなりの減少を意味する。しかし、例えばガス気泡を含む誘電体の場合といった顕著な圧縮性を有する誘電体は、依然として本発明の範囲内にある。
【００４９】
第2の電極8は、その導電性の特性を失うことなく誘電体層の変形に追従することができ、したがって、第2の電極8は、少なくともその面では弾性的に変形可能な導電性材料から作製されるか、あるいは少なくともその面では変形する構造体を有することができる。第2の電極は、銅、銀、金、銀のグリース、炭素粉末、導電性ポリマーで作製するか、あるいは文献「Electroactive Polymer Actuators and Devices」、  (EAPAD) 2008、Yoseph Bar-Cohen編集、Proc. of SPIE Vol. 6927 69270W-1に説明されているようにポリマーの表層上にイオンを注入することによって作製することができる。
【００５０】
第2の電極が、銅、金または銀で作製されているとき、ばねタイプの構造体を使用することができ、それらの実施例が図3Aから図3Eに示されており、以下の記述で詳細に説明する。
【００５１】
切抜きを有する第1の電極4は、空間における少なくとも1つの方向に変形可能な構造を有し、その結果、導電性の特性を失うことなく誘電体層6の変形に追従することができる。
【００５２】
エレクトレット10は、第1の電極の溝12の内側に配置される。
【００５３】
エレクトレット10は、以下2つのいずれかであり得る。
-  溝12を満たし、第1の電極4と接触する。この場合、エレクトレット10は、誘電体層の変形に追従するように弾性的に変形することができる。
-  溝の諸縁端部から実質的に等距離になるように溝12の中心ゾーンに堆積され、この場合、エレクトレット10が正確な位置を有し、ほとんど変形しないかまたはまったく変形しないように、エレクトレット10は剛体でよい。
【００５４】
エレクトレットは、様々なやり方で実施することができる。
【００５５】
固体エレクトレットの場合には、誘電体層6の延長/収縮を回避するために、溝12の中に比較的正確に設置される。
【００５６】
変形可能なエレクトレットの場合には、例えば誘電体層上に接合される。誘電体層上に堆積されて荷重がかかった粉末形式のエレクトレットも意図することができる。
【００５７】
誘電体層の内部にエレクトレットを直接形成するために、イオン化によって誘電体を直接分極化することにより、第1の電極4の溝12によって画定された誘電体層の自由表面のゾーンを分極化することも意図することができる。この方法には、材料を事前に固定する必要がなく、したがってその生成が簡単かつより迅速であるという利点がある。分極化によってエレクトレットを作製するこのような方法には、テフロン（登録商標）などの特定のポリマーが適切である。
【００５８】
分極化の方法はコロナ型でよい。この方法については、低電流を用いてポイントと誘電体の間に電気アークを生成することができ、これは、ポイントと誘電体を分離しているガス分子をイオン化して誘電体層に注入する効果がある。電子銃によって誘電体層のゾーンに供給された電子を加速してイオン化することも可能である。これらの分極方法は当業者に周知であり、詳細には説明しないことにする。
【００５９】
有利な実施例として、誘電体層は、付着性のある変形可能ポリマーのVHB4910(登録商標)で作製することができ、したがって、固体または粉末形式のエレクトレットの誘電体層上への固定が特に簡単になる。
【００６０】
粉末形式のエレクトレットの場合には、
-  例えばパリレン粉末である非分極粉末をポリマー層上に堆積し、
-  その後、それを、コロナ放電、電子加速またはイオン加速型の標準的方法を用いてポリマー上で直接分極化することが可能である。
【００６１】
第1の電極4は、エレクトレットと共に、可変静電容量を有する第1のコンデンサCOND1を形成する。第2の電極8は、エレクトレット10と共に、第2の可変静電容量コンデンサCOND2を形成する。
【００６２】
図1にコンデンサCOND1およびCOND2が示されており、静電容量C1は、第1の電極4の導電性バーの組とエレクトレットの電荷の間の等価静電容量を表し、C2は、第2の電極8と第2の電極8に蓄積された電荷の間の全体としての等価静電容量を表す。
【００６３】
説明を簡単にするために、第1および第2の電極とエレクトレットの単に一部分から形成された静電容量を示すのにC1およびC2を用いることにする。
【００６４】
図1に見られるように、第2の電極8は、エレクトレット10および誘電体層6と共に、COND2で示される第2のコンデンサを形成する。第2のコンデンサCOND2の静電容量C2は、第2の電極8とエレクトレット10との間の、誘電体層6の厚さに等しい距離、および第2の電極8とエレクトレット10の向かい合った表面によって決定される。
【００６５】
コンデンサの静電容量が次式によって定義されることに注意されたい。
【００６６】
【数１】
0005443496.tif 000002
【００６７】
ここで、ε0は真空の電気的誘電率であり、
εrは誘電体の比誘電率であり、
Sはコンデンサの向かい合う2つのプレートの表面積であり、
dは2つのプレートの間の距離である。
【００６８】
この説明では、誘電体層の延長は、その厚さの減少およびその平均平面における表面積の増加をもたらすような変形を描写するように用いられる。この延長は、例えば、誘電体層の平均平面に対して力を層の方向へ垂直に加えることにより、または誘電体層の平均平面の外側の周辺に対して力を外へ向けて加えることにより達成することができる。この延長は、誘電体層が、水平方向の圧縮または延長の段階の後に厚さの通りに休止位置へ戻る段階でもあり得る。
【００６９】
圧縮は、誘電体層の厚さが増加して、平均平面におけるその表面積が縮小することを意味する。この圧縮は、延長による変形段階に続いてよく、あるいは誘電体層から遠ざかる方向に動いている層の平均平面に対して力を垂直に加えることにより、または力を加えたことによる圧縮により、達成することができる。
【００７０】
矢印16によって示される力をシステムの平均平面に対して実質的に垂直に加えることにより、システムに対して延長力が加えられたとき、誘電体層6は、図2に示されるように、厚さが減少して表面積が増加するように変形する。第2の電極8およびエレクトレットは、誘電体層6の変形に追従する。したがって、向かい合った表面が増大する一方で、それらを分離している距離が縮小する。式(I)の関係を用いると、誘電体層が延長することにより静電容量C2が増加する。
【００７１】
誘電体層6の材料は、圧縮性でないか、またはほとんど圧縮性でないことに注意されたい。したがって、変形を通じて体積が保たれる、すなわち厚さが減少するのと反対に表面積が増加する。
【００７２】
例えば、システムが延長段階の後に変形のない状態へ戻る間に圧縮を受けると、向かい合った表面が縮小し、第2の電極8とエレクトレット10の間の距離が増加して静電容量C2が減少する。
【００７３】
このように、第2のコンデンサCOND2の静電容量は可変である。
【００７４】
したがって、延長圧縮のサイクルにおいて、第2のコンデンサCOND2の静電容量C2の増加減少のサイクルが出現する。
【００７５】
図3Aから図3Eは、溝を備える第1の電極4の様々な実施形態を示す。第1の電極4は、変形可能な幾何学的形状を画定する網状のバー18で形成されている。これらのバーは、格子を形成するように互いに対して静止している。有利には、格子は、導体を堆積し、誘電体の表層上にイオンを注入し、導電面をエッチングするかまたは切り抜くことにより、一体型に作製される。
【００７６】
多くの相互接続が与えられるので、この格子生成は特に有利である。この構造により、1つの相互接続が破損しても局所的制御不能が生じるだけである。
【００７７】
しかし、相互接続のない複数の平行なジグザグ並びで形成された電極も本発明の範囲内である。
【００７８】
図1'は、第1の電極4およびエレクトレット10の拡大図であり、より詳細にはエレクトレット10によって分離された2本のバー18'、18"を見ることができる。
【００７９】
第1の電極4およびエレクトレット10は、第1のコンデンサCOND1も形成する。一方、第2のコンデンサCOND2では、図1に示されるように、コンデンサの向かい合った表面は水平でなく垂直である。図1'に見られるように、第1の電極4の反対側の面20は、バー18'の水平面によって支えられており、面20と向かい合ったエレクトレットの面22は、エレクトレットの縦断面によって形成されている。バー18'の側面上のエレクトレットの表面の半分の中央にエレクトレットの面22が配置されていると考えられる。この仮説は、溝12を満たすエレクトレットの場合に当てはまる。エレクトレットが、電極間の空間全体にわたって延び、この全体幅にわたって均一な電荷密度を有する場合、半分の中央は、2つの電極18'または18"のうちの1つの電荷の平均距離に相当する。
【００８０】
正確なエレクトレットの場合には、好ましくは2つの電極の中央に設置される。
【００８１】
したがって、バー18'、18"間の距離Lに対して、第1のコンデンサCOND1のプレート間の距離はL/4である。
【００８２】
各バー18が2つの面を有し、それぞれの面がコンデンサのプレートを形成する。
【００８３】
図2に見られるように、誘電体層6が延びると2本のバー18'、18"間の距離が増加する。したがって、2つの向かい合った面の間の距離が増加する。しかし、エレクトレットおよび第1の電極の厚さが減少するとき、それらの深さ(図示せず)が増加するので、向かい合った表面は変更されない。式(I)の関係からすると、第1のコンデンサCOND1の静電容量C1は、延長の期間中には減少するが、圧縮の期間中には増加する。
【００８４】
コンデンサCOND1、COND2の静電容量C1、C2の変化は、それぞれ以下のように推定することができる。
【００８５】
【表１】
0005443496.tif 000003
【００８６】
したがって、システムの変形の期間中、コンデンサCOND1とCOND2の静電容量は反対方向に変化する。
【００８７】
電荷と静電容量の関係は以下の通りである。
Q=C×V (II)
Qはコンデンサの電荷であり、
Cはコンデンサの静電容量であり、
Vはコンデンサの端子での電圧である。
【００８８】
システムが延びるとき、静電容量C2が増加して静電容量C1が減少する。
【００８９】
第1および第2の電極の端子で電圧Vcが一定である場合には、C2が増加すると電荷Q2が増加し、逆にC1が減少すると電荷Q1が減少する。
【００９０】
静電容量C1およびC2のこの反対方向の変化が、このように第1の電極と第2の電極の間の電荷の変化をもたらし、このことが、第1の電極4と第2の電極8を接続する充電抵抗Rcを介した上側電極と下側電極の間の電荷の再分配をもたらす。結果的に電気エネルギーが生成される。電荷抵抗Rcは、電池または直接にはユーザデバイスでよい。
【００９１】
図1は、第1の電極4と第2の電極8の間に形成された静電容量C3の第3のコンデンサCOND3も示しており、これは、コンデンサCOND1およびCOND2と並列に電気的接続されている。
【００９２】
この静電容量C3は、リミッタ電圧レベルおよび出力電力を制限することのないように、C1およびC2と比較して無視できる値を有するのが好ましい。これを達成するために、例えば電極4および8の向かい合った表面を縮小することができる。これは、例えば第1の電極のバーの幅を最小限にすること、および/または第2の電極を第1の電極のバーと部分的にしか向き合うことのないように形成することにより達成される。しかし、この構造は、第2の電極を通じて電気的連続性を保証するものである。例えば、図1"は、第1の電極と向かい合う第2の電極8'の表面が縮小するように第2の電極8'が構成された本発明によるシステムの詳細を示す。第1の電極と向かい合って配置された第2の電極8'のゾーン8.1'が省略されている。したがって、実質的に電気的連続性を保証する一方でその構造が第1の電極の構造の「ネガ」である第2の電極を作製することが意図され得る。
【００９３】
示された実施例では、第1の電極は複数の溝を有するが、溝を1つだけ有する電極も本発明の範囲内である。しかし、溝が多ければ、多くの第1のコンデンサを形成することができ、したがって、変換されるエネルギーの量を増加することができる。溝の幅が誘電体の厚さに類似していることが有利であるため、圧縮状態では溝の幅が誘電体の厚さを下回り、延長状態では溝の幅が誘電体の厚さを上回って、その結果、エレクトレットは、延長位置の電極8より圧縮位置の電極4に好ましく影響を及ぼす。
【００９４】
さらに、示された実施例は、その縁端部が誘電体層に対して実質的に垂直である溝を備えているが、角を成す縁端部を有する溝も本発明の範囲内であることが明白である。
【００９５】
誘電体層は、例えばVHB4910(登録商標)タイプのポリマーである。電極は銅、銀、銀のグリース、炭素粉末、金などで作製されてよく、エレクトレットは、前述のように既知の技術を用いて電荷が注入されたパリレン、テフロン（登録商標）またはKapton(登録商標)に基づくものでよい。
【００９６】
次に、図3Aから図3Eに示された、切抜きを有する第1の電極の実施形態をより詳細に説明する。
【００９７】
一般に、電極の全表面の静電気力が実質的に均一になるように、実質的に一定のサイズおよび形状の溝を有する第1の電極を作製することが求められる。さらに、誘電体層の変形を妨害しない形状が求められる。したがって、材料自体の顕著な変形を引き起こさずに、かなり(>1%)変形する、すなわち、材料自体の圧縮/延長によるのではなく、好ましくは構造の様々な部分のたわみによって形状の変形が得られる電極構造が要求される。これは、特に、電極材料が変形にあまり適しないとき、例えば第1の電極のバーが金属の導電材料から作製される場合についてのことである。最後に、優れた電気的連続性を保証するために、バー間の接続がかなり多数であるのが好ましい。
【００９８】
図3Aは、次々に配置されて、その分岐の終端で互いに接続されたモミ形のバー24を示す。これらのバーは、電極の全表面にわたって電気的連続性を保証するように接続される。
【００９９】
この電極は、矢印26の方向に変形可能である。この電極は、矢印26の方向に延びるが、矢印26に対して垂直な方向にはわずかしか変形しない。
【０１００】
この電極構造は、バー間の多くの相互接続およびすべて同一形状の溝の形の約一性を有する。
【０１０１】
図3Bは、互いに平行に配置されて、横断接続バー18.1によって互いに接続されたジグザグパターンのラインを形成するバーを示す。図3Aの構造に反して、ジグザグパターンの連続した3線間の横断接続バー18.1は整列されない。
【０１０２】
この電極は、矢印26の方向に変形可能である。この電極は、矢印26の方向に延びるが、矢印26に対して垂直な方向27にはわずかしか変形しない。この電極は、同一形状の溝も有し、このため静電気力は実質的に均一である。
【０１０３】
図3Cの構造は、図3Bのものに近い。図3Cの構造は、各ジグザグパターンに横断接続バー18.1が存在して、ジグザグパターンの連続した2線間のピッチだけオフセットされている点が図3Bの構造と異なる。
【０１０４】
この電極は、別々の溝形状を有する。しかし、この電極は、高密度のバー間接続を有し、これによって優れた電気的連続性が可能になる。
【０１０５】
この構造は、基本的に矢印26の方向に変形する。
【０１０６】
図3Dの構造には、矢印26の方向に変形し、かつ矢印27の方向に同時に変形するという利点がある。実際、第1の方向における誘電体層の延長は、可撓性誘電体層の面に含まれる第1の方向に対して垂直な方向への拡張を引き起こす傾向もある。この構成により、静電容量の変化の最大化が可能になり、したがって延長の所与の大きさに対して回復され得るエネルギー量の最大化が可能になる。
【０１０７】
図3Dの構造は、ジグザグパターンのラインを備え、ジグザグパターンの2本の連続したラインが2つずつ向かい合っている。2つのジグザグパターンの2本の連続したラインのポイント間に横断接続バー18.1が設けられ、ジグザグパターンは最も遠く離れたポイントで接続されている。
【０１０８】
図3Eの構造は、ハチの巣形状28を画定するバーのレイアウトを有する。この構造は、溝の形状が、溝のバーと溝の中央ゾーンの間に、他の構造より、より均一な距離を与えるので、溝の中心に正確に配置された、より高剛性のエレクトレットの使用が可能になるという利点を有する。
【０１０９】
他の電極構造も適切であることは明白である。
【０１１０】
図4および図5は、第1の電極4の側の第1のエレクトレット10、および第2の電極108の側の第2のエレクトレット110の両方を備える本発明による可変静電容量システムの変形形態を示す。
【０１１１】
この変形形態を詳細に説明する。
【０１１２】
第1の電極は、図1のシステムのものに類似である。しかし、第2の電極108は、図1のものに類似して、少なくともその面では変形可能な切抜きのある構造を有し、第2のエレクトレット110は、第2の電極108の各溝112に配置されている。
【０１１３】
第1のエレクトレット10と第2のエレクトレット110とは、反対の電荷を有する。例えば、第1のエレクトレット10がマイナスに充電される場合、第2のエレクトレット110はプラスに充電される。第1のエレクトレット10および第2のエレクトレット110は、同一の材料から作製されてよい。
【０１１４】
図4または図5のシステムは、第1のエレクトレット10と第1の電極4の間の、静電容量C1の第1のコンデンサCOND1と、第1のエレクトレット10と第2の電極108の間の、静電容量C2の第2のコンデンサCOND2と、第1の電極4と第2の電極108の間の、静電容量C3の第3のコンデンサCOND3と、第2の電極108と第2のエレクトレット110の間の、静電容量C4の第4のコンデンサCOND4と、第1の電極4と第2のエレクトレット110の間の、静電容量C5の第5のコンデンサCOND5とを備える。
【０１１５】
第2のエレクトレット110は、第1のエレクトレット10と同様に、第2の電極108の溝112の中の誘電体層6の上または中に堆積される。
【０１１６】
次に、誘電体層6が受ける変形のタイプの関数である別々の静電容量の挙動について説明する。
【０１１７】
図1のシステムと同様に、C1は、誘電体層6の延長の期間中、第1のエレクトレット10と第1の電極4の間の距離が増加するのにつれて減少する。第4のコンデンサCOND4の挙動は第1のコンデンサCOND1の挙動と同一であって、静電容量C4も減少する。第2のコンデンサの静電容量C2ならびに第5のコンデンサCOND5の静電容量C5は、誘電体層6の薄さおよび表面積に直接比例するので、増加する。
【０１１８】
初期状態では、第1の電極4は、最初に、溝12に配置された第1のエレクトレット10の影響を受ける。延長の期間中、第1の電極4に対する第1のエレクトレット10の影響が次第に弱くなり、第2のエレクトレット110の影響が次第に強くなる。この影響の変化は、第2の電極108にも生じ、最初は第2のエレクトレット110の影響を受けていたのが、次いで、次第に第1のエレクトレット10の影響を受けるようになる。
【０１１９】
したがって、この影響の変化により、2つの電極4、108と第3のコンデンサCOND3との間の充電抵抗Rcを介して、第1の電極4および第2の電極108の電荷の再分配が起きる。
【０１２０】
図1のシステムと同様に、第3のコンデンサCOND3の静電容量C3を減少させることは有利である。この場合、第2の電極に切抜きがあり、これによって、第1の電極4と第2の電極108の表面を、向かい合った表面が縮小するようにオフセットさせることができるので、特に簡単であり得る。
【０１２１】
圧縮の場合には、静電容量の変化が反対方向になる。
【０１２２】
以下の表は、コンデンサCOND1、COND2、COND3、COND4、COND5のそれぞれの静電容量C1、C2、C3、C4、C5の変化を示している。
【０１２３】
【表２】
0005443496.tif 000004
【０１２４】
この変形形態では、2つのエレクトレットの電荷を移動するためのエネルギーが変換されるので、図1のシステムで回復されるエネルギー量より大きなエネルギー量を回復することができる。
【０１２５】
図6は、図1によるシステムを重ねることによって得られた多層システムの実施形態を示す。このスタックでは、互いに向かい合った第1の電極4と第2の電極8が、誘電体層6によって分離されている。
【０１２６】
この重層構造により、回復するエネルギーを増加することができる。
【０１２７】
示された実施例では、エレクトレットゾーンが整列しているが、このレイアウトは決して限定するものではない。しかし、エレクトレットが誘電体の2つの面上に置かれる図4および図5のシステムの場合には、多層システムでは、図6'に示されるように、層のエレクトレットゾーンを別の層の電極と重ねるのが好ましい。
【０１２８】
次に、一例として、図1のシステムに類似のシステムによって回復され得る電力の計算を提供する。
【０１２９】
比誘電率εrが4.8のVHB4910(登録商標)で誘電体層6が作製されているシステムを考える。誘電体層6は、休止状態では、厚さe0=50μmおよび表面積S0=1cm2を有する。
【０１３０】
計算のために、図7のように第1の電極4がバー18およびエレクトレット10を有すると見なし、これは基本パターンに相当する。エレクトレットの長さはd0=20μmであり、バー18の幅はL=5μmであり、バー18の高さはh=5μmである。
【０１３１】
バー18とエレクトレット10は同一の厚さを有すると考えられる。さらに、第2のコンデンサのプレートを形成するエレクトレットの面22が、エレクトレット表面の半分の中央に配置されており、すなわち電極18のバーのうちの1つからの電荷の平均距離が、したがって面22から5μm離れていると考えられる。
【０１３２】
さらに、第1の電極4の表面積は、表面積S0の1/5に相当し、エレクトレット10の表面積は、表面積S0の4/5に相当する。
【０１３３】
それぞれC10、C20、C30で表される延長以前のC1、C2およびC3の静電容量の値を計算すると、次のようになる。
【０１３４】
【数２】
0005443496.tif 000005
【０１３５】
(dmeanは、エレクトレットからの電荷の上部電極に対する平均距離を表す。)
【０１３６】
【数３】
0005443496.tif 000006
【０１３７】
次に、それぞれC11、C21、C31で表される延長後の静電容量の値を計算する。体積一定で2倍の延長、すなわち誘電体層の厚さが半分になって誘電体層の表面積が2倍になる延長を考えると、次のようになる。
【０１３８】
【数４】
0005443496.tif 000007
【０１３９】
つまり、マイナス電荷Q0は、いかなる絶縁破壊も防止するために、誘電体層6の電界(electrical champ)がE0=100V/μmを超過しないようにエレクトレット10に蓄積される。初期位置では、第1の電極4の距離dmean0のエレクトレット10の電位は、V0=V20=-V10=-dmean0E0=-500V(放電した出力、V30=0Vと考えられる)と等しく、したがってE0=100 V/μmである。
【０１４０】
例えば文献「Parylene HT based electret rotor generator」、MEMS 2008、Tucson、AZ、USA、2008年1月13日〜17日、984〜987頁には、エレクトレットに204V/μmの電界を生成することが可能であることが示されている。したがって、100V/μmの電界の選択肢は、十分に裏付けられる(soundly based)。
【０１４１】
初期位置における電荷の分布は以下の通りである。
Q0=(C10+C20)V0=-203nC
Q10=C10V10=-C10V0=169nC
Q20=C20V0=-34nC
Q30=0nC
【０１４２】
次に、変形を通じて電力消費のない(nil consumption)、すなわちRc=無限大における誘電体層の変形に従う、可能性のある電気エネルギーの利得を計算する。したがって、直列の3つのコンデンサの電気回路が形成され、したがって回路内の電流の循環が、各コンデンサの電荷の同一の変化を引き起こす。次いで、このシステムは、以下のシステム方程式によって記述することができる。
【０１４３】
【数５】
0005443496.tif 000008
【０１４４】
電荷Rcから見た等価静電容量Ceqは、静電容量C1とC2の直列接続に対してC3を並列接続したものに相当し、したがってこれは次式に等しい。
【０１４５】
【数６】
0005443496.tif 000009
【０１４６】
システムの出力で利用できる可能性のある、変形に従う電気エネルギーEpは、したがって次式となる。
【０１４７】
【数７】
0005443496.tif 000010
【０１４８】
200層の多層のシステムが図6のものに類似であると考えると、用いられている誘電体層の体積にこのエネルギーを関連付けて、30μJ×200層=6mJ/cm3のエネルギー密度を得る。
【０１４９】
システムの初期状態へ戻る期間中に等価エネルギーが回復されることに留意されたい。したがって、完全なサイクルなら12mJ/cm3が回復され得て、例えば1Hzの動作周波数(例えば普通の歩行(on a shoe to walk)の周波数にほぼ相当する)の場合は、12mW/cm3の電力を回復することができる。
【０１５０】
本発明による可変静電容量システムは、エネルギー回復に適用されているが、アクチュエータにも利用することができる。本発明によるシステムによって、誘電体層の延長および収縮を両方とも可能にするアクチュエータを作製することでき、これは、延長だけが好まれ、誘電体層の内部歪みによってのみ収縮が生じる、既知のアクチュエータの場合にはないことである。
【０１５１】
図8Aは、延長モードの動作を概略的に示し、図8Bは圧縮モードの動作を概略的に示す。変形のモードは、第1の電極4と第2の電極8の間の制御電圧Vcの符号次第である。矢印は相互作用を表し、特定タイプの相互作用を表しているわけではない。
【０１５２】
マイナスに分極しているエレクトレット10を考えることにする。
【０１５３】
制御電圧Vcがマイナスのとき、第2の電極8はプラスに分極し、第1の電極4はマイナスに分極する。したがって、図8Aに示されるように、エレクトレットと第1の電極4の間に矢印30で示された斥力があり、エレクトレット10と第2の電極8の間に矢印32で示された引力がある。誘電体層6の厚さが減少し、その表面積が増加する。
【０１５４】
制御電圧Vcがプラスのとき、第2の電極8はマイナスに分極し、第1の電極4はプラスに分極する。したがって、図8Bに示されるように、エレクトレット10と第2の電極8の間に矢印30によって示された斥力があり、誘電体層6の厚さが増加する。エレクトレット10と第1の電極4の間に矢印32によって示された引力があり、誘電体層6の表面積が減少する。
【０１５５】
第1の電極4と第2の電極8の間にも引力が現われ、これらの力は、求めた圧縮効果と対抗するものであることに留意されたい。しかし、例えばバーの幅を最小限にして第1の電極4と第2の電極8の間の静電容量C3を最小限にすることにより、この引力の影響は、他の静電気力に対して無視できるものと見なすことができる。
【０１５６】
本発明によるシステムの厚さは、エレクトレットと第1の電極の間の引力および斥力によって引き起こされる変形が、システムの厚さの全体にわたって均一に分配されるように十分に薄いことに留意されたい。さらに、エレクトレットと第2の電極の間の引力および斥力によって生じる変形は、システム全体にわたって現われる。したがって、均一に分配される厚さの増加または減少が確かに存在する。
【０１５７】
本発明を用いて作製され得るエネルギー変換システムは、エレクトレットを使用することにより、エネルギー回復サイクルを実行する各サイクルで、構造体を分極させるための特定の手段をもはや必要としないという利点を提供する。これにより、静電構造へ電荷を伝達する電子部品を除去することができるので、システムを簡易化することができる。さらに、エネルギーを最小にしたり、最大静電容量を検出したりすることが不要である。したがって、これらの電子部品による電気損が解消する。
【０１５８】
さらに、本発明によるシステムには、延長の期間中および解放の期間中のどちらでもエネルギーを回復することができるという利点がある。従来技術のシステムでは、解放の期間中しか回復できない。
【０１５９】
これら2つの段階にわたるこの回復は、誘電体層の延長からの電気エネルギーを処理するという利点を有する。スイッチまたは遠隔操作は、誘電体層の延長によって生成されたエネルギーを、ユーザがスイッチまたはリモートコントロールボタンに対する圧力を解放する前に指令を送るのに利用するので、この迅速なエネルギー生成は、スイッチまたは電波式遠隔操作の場合には特に有利である。したがって、誘電体層が解放される場合しかエネルギーが回復されない従来技術のデバイスに反して、指令を送るエネルギーを蓄積する手段を設ける必要性はなく、エネルギーが直ちに利用可能である。
【０１６０】
これは、例えば圧力センサまたは変形センサといった、測定可能な物理量の検出および測定に変形を用いるあらゆるセンサ向けにも特に有利である。本発明による電気エネルギー生成システムを備える圧力センサは、誘電体層の変形で電気エネルギーを生成するので自己動力であり、圧力が除去される以前に、すなわち誘電体層の延長が終了する以前に、センサによって検出された圧力値を識別することもできる。
【０１６１】
さらに、スイッチまたは遠隔操作の場合には、ユーザによって誘電体層が延ばされ、結果的に、短縮位置へ戻る間の誘電体層の挙動がエネルギー回復を指令するのではなく、したがって、より効率的でより迅速なエネルギー回復の可能性がある。
【０１６２】
図9は、本発明による可変静電容量システム2を備える本発明によるスイッチ34の実施形態を示す。
【０１６３】
本発明によるシステム2は、図1または図4のものに類似の細長片から作製され、コイル状の多層システムを形成するように、それ自体に巻きつけられている。
【０１６４】
このスイッチは、支持体38の中で軸方向に移動可能に実装された押しボタン36を備える。この押しボタンは、ユーザ向けのインターフェイスとして働くように設計された端部36.1と、システム2の変形を引き起こすように設計された、システム2に対して静止している第2の端部36.2とを有する。システム2は、支持体38の第1の長手方向の端部42.1、および第2の長手方向の端部42.2によってピストン36に固定されている。
【０１６５】
システム2における圧力超過を防止するために、ピストン36.2はエア流路44を備える。
【０１６６】
オペレータが押しボタンを押すと、図9に示されるように、押しボタン36の第2の端部36.2が下方へスライドしてシステムが延び、静電容量C1が減少して静電容量C2が増加し、押しボタンを移動させるのに用いられた力学的エネルギーが電気エネルギーに変換され、このエネルギーは、スイッチに関連した指令に直接利用可能である。押しボタン36上の力が解放されたとき、静電容量C1が減少して静電容量C2が増加し、力学的エネルギーの電気エネルギーへの変換ももたらす。
【０１６７】
図10Aおよび図10Bは、エネルギー回復デバイスに組み込まれた本発明による可変静電容量システムの別の実施形態を示す。
【０１６８】
このデバイスは、X軸方向に円筒状の形状を有する第1の支持体40、およびX軸に沿って支持体40の上に浮いている第2の支持体42を備える。第1の支持体40および第2の支持体42は、エネルギーが、コンデンサを形成する層の変形に主として用いられるように、好ましくは剛体である。
【０１６９】
第2の支持体42は円筒状の形状を有し、そのX軸断面の寸法は支持体40のものに類似である。
【０１７０】
支持体40の上面と第2の支持体42の下面の間に、高さhの隙間44が配置されている。明らかに、形容詞「上」および「下」は限定的ではなく、X軸が水平であって2つの面が同一の高さにあることも可能である。
【０１７１】
このデバイスはスリーブ46を備え、スリーブ46は、第2の支持体42を第1の支持体40から離して保持し、これらを連結する。スリーブ46は、隙間44に対して水平壁を形成する。スリーブは、高さlおよび半径方向の厚さeを有する。
【０１７２】
示された実施例では、スリーブ46は、弾性変形可能な材料で作製された、より詳細にはX軸方向に延びることができる半径方向内側の第1の層48と、第1の層48のまわりに巻きつけられて、実質的に隙間44の高さの上に螺旋形状を形成する導電性ワイヤ50と、弾性変形可能な誘電材料の、より詳細にはX軸方向に延びることができる、ワイヤ50のまわりの第2の層52と、実質的に隙間44の高さの上に第2の層52のまわりに螺旋状に巻きつけられている第2の導電性ワイヤ54と、弾性変形可能な誘電材料で作製された、より詳細にはX軸方向に延びることができる第3の層56と、実質的に隙間44の高さの上に第3の層56のまわりに螺旋状に巻きつけられている第3の導電性ワイヤ58とを有する。
【０１７３】
さらに、あらゆる半径方向から見て、2つの直接隣接した膜によって形成された巻が重ならないように、ワイヤ50、54、58はX軸に沿ってオフセットされている。
【０１７４】
ワイヤ50、54、58は、生成された電荷の回復を可能にするように電気的に接続されている。
【０１７５】
さらに、このデバイスは、ワイヤ50の巻と58の巻の間のエレクトレット材料10、およびワイヤ54の巻の間のエレクトレット10の極性と反対の極性のエレクトレット材料110を備える。材料10、110は、例えば誘電体層上に堆積される。より一般的には、スリーブは、エレクトレットの、1つおきに極性が反対の層を有する。
【０１７６】
巻によって形成された組立体、電気的絶縁層およびエレクトレットが、可変静電容量コンデンサを形成し、巻は電極を形成する。
【０１７７】
エレクトレット10、110によって分極化が適用される。この可変静電容量システムは、図4のシステムに非常に近く、切抜きを有する電極が巻で置換されている。
【０１７８】
力、例えば引張り力がX軸に沿って矢印Fの方向に加えられると、コンデンサの静電容量が変化する。
【０１７９】
第1の層48は、第1のワイヤ50を支持体および浮遊要素上に固定し、したがって、第1の層48は、コンデンサの誘電体としては使用されない。
【０１８０】
層48、層52および56は、ポリマー製でよい。
【０１８１】
動作は、図4および図5に関する以前の説明と同一であり、詳細には説明しない。
【０１８２】
巻いたワイヤ電極のうちの1つを連続した導電材料の層で置換することが意図され得て、この構造は図1のものに類似である。巻いたワイヤ電極を層電極と交代することも意図され得る。
【０１８３】
もちろん、電極の数は限定されない。
【０１８４】
有利には、層とワイヤは接合される。
【０１８５】
デバイスが多数の層で作製される場合、有利には、層の対の間に剛体の膜を挿入することができる。この膜は、スリーブが第1および第2の支持体に収まるゾーン、すなわち隙間44の両側に配置された層のゾーンに配置される。この膜の存在が、層が変形して隙間になるのを妨げることはない。これらの膜を挿入することにより、変形が、層の半径方向に延びる厚さの全体にわたってより均一になることが保証される。
【０１８６】
例えば、巻いたワイヤを間に配置した50の層を重ねて設けることができる。
【０１８７】
一例として、隙間の高さは3mmであり、スリーブの高さは20mmであり、スリーブの厚さは250μmである。
【０１８８】
このデバイスは、簡単な巻いたワイヤで電極を形成することができ、巻が延長を妨害することがないので、作製するのが非常に効率的でより簡単である。さらに、巻が、誘電体の半径方向における形状を保つ。
【０１８９】
明らかに、誘電体層および巻いたワイヤのいかなる数も可能である。さらに、管状の形状も限定するものではなく、例えばスリーブが楕円の断面を有してよい。さらに、支持体40および42は、機械的ガイド、例えばスライドによって接続されてよく、2つのスリーブのX軸方向の(according to the X axis)相対運動が保証される。これらの支持体は、中空であってもなくてもよく、重要なのは外側の表面(例えば管状の形状)だけである。
【０１９０】
例えば、図10Aおよび図10Bのデバイスは、
【０１９１】
1 -  支持体40および42を、第1の距離h1で互いに配置するステップと、
【０１９２】
2 -  支持体40、42のまわりに第1の延長可能な層48を巻きつけるステップと、
【０１９３】
3 -  空隙空間h1を覆うように、導電性ワイヤ50をn回巻きつけるステップと、
【０１９４】
4 -  導電性ワイヤの巻の間にエレクトレット10を堆積するステップと、
【０１９５】
5 -  延長可能な誘電体層52によって覆うステップと、
【０１９６】
6 -  例えば導電性ポリマーである固体の延長可能な電極、または前の層の導電性ワイヤ50に対して互い違いのn回巻導電性ワイヤ54の間隙を極性が反対のエレクトレット110で満たしたもので覆うステップと、
【０１９７】
7 -  延長可能な誘電体層56によって覆うステップと、
【０１９８】
8 -  所望の層数(または所望の機械的剛性)に達するまでステップ3から7を繰り返すステップと、
【０１９９】
9 -  最後に、ポリマー上の最小の電圧を保証するために、h1より大きな最小の空隙距離h2をもたらす機械的歪みを与えることにより、スリーブに予荷重をかけるステップとの方法によって作製することができる。
【０２００】
有利には、層は互いに接合される。
【０２０１】
デバイスは位置h2と位置h3(h3>h2)との間で動作し、デバイスにより、この相対運動を電気エネルギーに変換することが可能になる。
【０２０２】
第1の延長可能な層48およびそれぞれの延長可能な誘電体層を実装した後に、スリーブが支持体40、42を接合する上部ゾーンおよび下部ゾーンに非延長性の膜を巻きつけることができる。
【０２０３】
次に、本発明による可変静電容量システムの製造方法の一実施例を説明する。
【０２０４】
図11は、本発明によるシステムの製造を生産ラインの形式で表す一実施例を示す。
【０２０５】
誘電体が、巻かれた細長片の形をしているところから始める。
【０２０６】
ステップ100で、誘電体は、システムがその初期形状へ戻るのを容易にするために、その内部に弾性収縮力を生成するように、例えば表面を延ばす予荷重を与えることによって成形される。
【０２０７】
ステップ200で、切抜きを有する第1の電極4が、例えばリソグラフィによって誘電体の面上に堆積される。
【０２０８】
ステップ300で、エレクトレット10の基材が堆積され、この基材は充電されず、例えば、テフロン（登録商標）またはパリレンは電極4の溝の中に、変形可能な材料、粉末または弾性のあるポリマータイプの場合には全表面上に、あるいは固体材料の場合には実質的に溝の中心に堆積されてよい。
【０２０９】
ステップ400で、エレクトレットの基材はエレクトレットを形成するように分極され、この分極化は、コロナ放電、イオンブラスト、電子加速、またはイオン加速によって達成される。
【０２１０】
ステップ500で、誘電体がひっくり返され、次いで、第2の電極8が例えばリソグラフィによって堆積される。第2の電極は固体でよく、または切抜きを有してよい。
【０２１１】
図4のものに類似のシステムを作製する場合、ステップ600で、第2のエレクトレットの基材が第2の電極の溝112に堆積される。
【０２１２】
次いで、ステップ700で、この基材が第1のエレクトレットに関して分極される。
【０２１３】
ステップ800で、誘電体の予荷重を増加するため、あるいは図6'に示されたタイプの多層システムの場合にはシステムの様々な要素の同期を保証するために予荷重を調整することができる。実際、システムが第1のエレクトレット10および第2のエレクトレット110を有し、細長片をそれ自体に巻きつけることによって多層システムを作製する場合には、第1のエレクトレットのパターンを、半径に対して垂直方向に(ortho-radially)上流および下流の層の第2の電極のパターンと同期させる必要がある。層を重ね合わせることによって巻の周辺が増加し、したがって、パターンを半径に対して垂直方向に整列させるように細長片が延長される。第2のエレクトレットのパターンと上流および下流の層の第1の電極のパターンとの間にも、半径に対して垂直方向の整列が必要とされる。2つのタイプのエレクトレット10および110を有する多層構造体において正確な動作を達成するために、図6'に示されるように、厚さに従って、4、6、110、6、4、6、110、6、4、6、110、6、4 ...のタイプの一連の層(10、6、108、6、10、6、108、6、10、6、108、6、10、6、108 ...のタイプの連続と交代/並置される)を有することが重要である。したがって、電極4は、常に110のタイプの反対のエレクトレットであって10のタイプのエレクトレットの隣にあり、電極108は、10のタイプの反対のエレクトレットであって110のタイプのエレクトレットの隣にある。
【０２１４】
ステップ900で、多層システムを形成するために細長片をそれ自体に巻きつけることができる。細長片のそれぞれの巻の間に誘電体セパレータ1000を挿入することができる。
【０２１５】
方法のこの実施例には、同一の誘電体細長片の様々なゾーンに対する様々なステップの同時生成が可能になるという利点があり、各ステップは、細長片の各ゾーンに対して連続的に実行される。
【０２１６】
もちろん、上記のステップの順序はまったく限定的ではない。
【０２１７】
さらに、すべての誘電体層に同一のステップが適用される標準的製造方法によって得られた可変静電容量システムは、本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【０２１８】
2  可変静電容量システム
4  電極
6  誘電体層
8  電極
8.1'  ゾーン
10  エレクトレット
12  溝
16  矢印
18  バー
18.1  接続バー
18'  バー
18"  バー
20  面
22  面
24  バー
26  矢印
27  矢印
28  ハチの巣形状
30  矢印
32  矢印
34  スイッチ
36  押しボタン
36.1  押しボタンの端部
36.2  押しボタンの端部
38  支持体
40  支持体
42  支持体
42.1  支持体38の長手方向の端部
42.2  支持体38の長手方向の端部
44  エア流路(図9)
44  隙間(図12B)
46  スリーブ
48  弾性変形可能な層
50  導電性ワイヤ
52  弾性変形可能な誘電材料の層
54  導電性ワイヤ
56  弾性変形可能な誘電材料の層
58  導電性ワイヤ
108  電極
110  エレクトレット
112  溝
1000  誘電体セパレータ
【図１】
0005443496.tif 000011
【図２】
0005443496.tif 000012
【図３Ａ】
0005443496.tif 000013
【図３Ｂ】
0005443496.tif 000014
【図３Ｃ】
0005443496.tif 000015
【図３Ｄ】
0005443496.tif 000016
【図３Ｅ】
0005443496.tif 000017
【図４】
0005443496.tif 000018
【図５】
0005443496.tif 000019
【図６】
0005443496.tif 000020
【図７】
0005443496.tif 000021
【図８Ａ】
0005443496.tif 000022
【図８Ｂ】
0005443496.tif 000023
【図９】
0005443496.tif 000024
【図１０Ａ】
0005443496.tif 000025
【図１０Ｂ】
0005443496.tif 000026
【図１１】
0005443496.tif 000027