(57)【要約】【課題】機械的、特に振動エネルギーの電気エネルギーへの変換を最適化することができるエネルギー変換装置を提供する。【解決手段】本発明の主目的は、少なくとも一つの第１固定電極と、固定電極に対して自由に移動する第２電極とを含む、可変静電容量装置であり、各電極は、本体と、前記本体の少なくとも一つの表面から突出する突起とを含み、各電極は、突起が備えられた各電極の表面が互いに対向するように配置され、互いに対向する２つの表面を隔てる距離は、固定電極からの突起と可動電極からの突起の高さの和よりも大きく、前記電極は、少なくとも一つの主方向に沿った２つの平行な平面において、互いに移動することができる。【選択図】図１
2009504114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの第１固定電極（２、１０２、２０２、３０２、４０２）と、固定電極（２、１０２、２０２、３０２、４０２）に対して自由に移動する第２電極（４、１０４；３０４、４０４、）と、を含み、各電極は、本体と前記本体の少なくとも一つの表面から突出する突起（１０、１１０、２１０、３１０、４１０、１４、１１４、３１４、４１４）とを含み、各電極は、突起が備えられた各電極の表面が互いに対向するように配置され、互いに対向する２つの表面を隔てる距離は、固定電極からの突起（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）と可動電極からの突起（１４、１１４、３１４、４１４）の高さの和よりも大きく、前記電極は、少なくとも一つの主方向に沿った２つの平行な平面において、互いに移動可能である、
可変静電容量装置。
【請求項２】
平衡状態において、電極からの各突起は、他の電極からの突起に対向する、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
互いに隣接する２つの可動電極の２つの突起の端を隔てる距離は、１マイクロメータ未満である、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
突起（１０、１４）がドーム形状である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
突起（１１０、１１４）が４面体形状である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
突起がほぼ平行６面体形状の埋め板形態である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
第１固定電極（２）がフレーム状に形成され、第２可動電極（４）が前記フレーム（２）内部に配置されている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
可動電極（４）は、形状が伸張され、両表面に突起(１４)を含み、固定電極を形成するフレーム（２）は、可動電極の表面に対向する内面に突起を含んでいる、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
伸張された固定電極（３０２、３０２´）を多数含む第１固定部分と、伸張された可動電極（３０４、３０４´）を多数有し、固定部分に対して自由に移動する部分と、を含み、各固定電極（３０２、３０２´）が可動電極（３０４、３０４´）に対向して配置される、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
突起（３１０、３１０´、３１４、３１４´）が、電極（３０２、３０２´、３０４、３０４´）の２つの正反対の表面に配置されている、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
第１部分がフレームの形態であり、固定電極(３０２)が、固定フレームの第１側面の内面に一端が固定され、電極(３０２´)は、第１側面に平行なフレームの第２側面の内面に一端が固定されるとともに、可動部分が、可動電極（３０４、３０４´）が各面に固定されたシャフト(３０３)の形態であり、可動電極（３０４、３０４´）が固定電極（３０２、３０２´）の間に挿入されている、
請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
電極（２０２、４０２、４０４）が、板形態で伸張する、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
突起が、正則行列の形態で有利に分布する、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
突起（２１４、４１０、４１０´、４１４、４１４´）が、平行な梁を形成するように、板の上で、ほぼ長手方向に伸張する、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
梁（２１４、４１０、４１０´、４１４、４１４´）が、可動電極の変位の主方向に対して傾斜する、
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
シャフト(３０３)の一側面に配置された梁(４１０、１４１)が、シャフトの他の側面の梁（４１０´、４１４´）の傾きとは異なる傾きで配置される、
請求項１１と組み合わせた請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
梁（４１０、４１４、４１０´、４１４´）が、可動シャフトで規定される平面に対して対称である、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
突起がナノチューブから形成される、
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換することができ、可搬型装置用の独立エネルギー源を供給するのに適した可変キャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常外部環境における振動により発生する機械的エネルギーは、２枚の板の間の静電容量の変化を用いることで、電気的エネルギーに変換することができることが知られている。
【０００３】
公知のエネルギー変換システムは、可動支持体に固定された一般的な外部部分と、慣性により、固定部分に関して相対的に変位する一般的な内部可動部分とを含んでいる。内部および外部部分は、可変静電容量対を形成する、互いにかみ合った指状部を含んでいる。システムは、相対的な変位を可能とする固定部分と移動部分との間のフレキシブルな接続部と、回収された機械的エネルギーを、例えば、電気エネルギーなどの所望のエネルギー形態に変換する変換器とをも含んでいる。
【０００４】
システムの静電容量は、櫛状部の指状部が動くと変化する。櫛状部が平衡位置に戻ると、静電気力が生じ、櫛状部を平衡位置に戻す傾向のある、言い換えれば、ある櫛状部の各指状部を、他の櫛状部の２本の指状部により規定された空間の中央部に戻す傾向のある、機械的復帰力に反発する。機械的エネルギーは、その結果、静電容量性櫛状部において、電気的充電と放電周期により、電気的エネルギーに変換される。電荷は、例えば、電荷が変化する、いわゆる「定電圧」周期、または、変換周期の間にキャパシタ端子の電圧が変化する、いわゆる「定電荷」周期など、管理周期の異なるタイプによって蓄積され得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
機械的エネルギーから電気的エネルギーへの変換効率は、電気的および機械的復帰力の強度とばらつきが同程度の場合に最大である。この場合、可動部分の運動エネルギーは、実質的に一体的にまた瞬時に電気エネルギーに変換される。機械的復帰力は、従来的に、可動部分と固定部分との間の相対的変位に比例する。静電気力は、一定電圧での制御に対して一定であり、一定電荷での制御に対する分離距離に比例する。
【０００６】
従来技術に従う装置では、静電気力は機械的復帰力に反発する。さらに、静電気力が機械的復帰力より大きい場合は、櫛状部は互いに接触する。従って、安定したシステムを得るためには、静電気力は機械的復帰力より小さい必要がある。
【０００７】
さらに、理論的変換効率は、可動部分の変位の間の静電容量の変化が大きい場合に、より良くなる。平行な板を備えた静電容量の値は、板の間の距離に反比例するため、固定および可動部分を隔てる距離は縮小されるべきである。しかしながら、不可逆的な静電気の付着、異常な機械的磨耗、および／または可変キャパシタの放電をできる限り避けるため、固定および可動部分の間の接触は避けることが好ましい。
【０００８】
Scott Meninger、Jose Oscar Miranda、Rajeevan Amirtharajah、Anantha Chandrakasanet Jeffrey Lang 著≪Vibration-to-electric Energy Conversion≫、IEEE Transactions on Very Large Scale Integration (VLSI) System、Vol.9n) 1-2001は、互いにかみ合った櫛状部、第１可動中央櫛状部７０４と、可動櫛状部７０４の各側に２つの第２固定櫛状部７０２、を備えた変換器（図７）を開示している。第１櫛状部７０４の指状部は、第２櫛状部７０２の１つの２本の対応する指状部により区切られる空間を貫通する。
【０００９】
この変換器の動きは、指状部の間の距離に制限される。さらに、この距離は、接触を避けるための安全距離により大きくなる。この振幅が、可能な移動距離より大きくなった途端に、機械的エネルギーの一部は、指状部の間の接触により失われる。この安全距離は、静電容量の可能な変化と変換効率を低減する接触を引き起こし得る製造誤差を乗り越えるために比較的大きい必要がある。
【００１０】
さらに、静止時においては、櫛状部の指状部は、他の櫛状部の２本の指状部の間の中央位置にある。したがって、同じ櫛状部における２本の隣接した指状部の間の距離に比較して、移動振幅が小さくなると途端に、固定および可動部分を相互に動かす動きが、静電容量の有効な変化を生じるためには不十分であるため、変換効率は大きく低減する。
【００１１】
さらに、単一のキャパシタ充電／放電周期が、可動櫛状部と固定櫛状部との間の相対変位がある度に生じる。その結果、得られる電気的周波数は、機械的周波数のわずか２倍である。しかしながら、自然界においてもほとんどの機器においても、ほとんどの振動周波数は１００Ｈｚ未満であり、従って、得られる電気的周波数は、小型の高性能電子システムで利用するために得られる電気的エネルギーに対して低すぎる。
【００１２】
さらに、この装置は、指状部の方向を横切る方向に平行な構成要素の振動に対してのみ感知する。
【００１３】
このように、本発明の一つの目的は、機械的、特に振動エネルギーの電気エネルギーへの変換を最適化することができるエネルギー変換装置を提供することである。
【００１４】
本発明のもう一つの目的は、可動部分間の接触の危険性が回避されたエネルギー変換装置を提供することである。
【００１５】
本発明のもう一つの目的は、小型電子システムにより利用され得る周波数の電気エネルギーを発生することができる変換装置を提供することである。
【００１６】
本発明のもう一つの目的は、静電気力が、機械的復帰力のように、復帰力として作用するエネルギー変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上述した目的は、互いに自由に移動し、少なくとも一つの表面から突出する突起を含み、突起が互いに侵入しない距離にある板を含む可変キャパシタで達成される。
【００１８】
言い換えれば、各板の全突起が同じ高さであり、この高さは、板に固定された突起の一端を、前記突起の自由端から分離する距離であり、板の前記固定突起の自由端を、他の板の突起の自由端から分離する距離よりも小さい。
【００１９】
必ずしも全ての突起が同じ高さである必要はなく、この場合、もっとも高い突起は２枚の可動板の間の距離を決定する。
【００２０】
その結果、板間の相対的横移動は、同一板の２つの突起を隔てる距離によって制限されることなく、これは接触の危険性を防ぐ。静電容量を最適化し、機械的から電気的エネルギーへの変換効率を改善するために、２つの対向する突起の自由端の間の距離を、最小化することも可能である。
【００２１】
本発明の主目的は、その結果、少なくとも一つの第１固定電極と、固定電極に対して自由に移動する第２電極と、を含み、それぞれは本体と前記本体の少なくとも一つの表面から突出する突起を含み、各電極は、突起が備えられた各電極の表面が互いに対向するように配置され、互いに対向する２つの表面を隔てる距離は固定電極からの突起と移動電極からの突起の高さの和よりも大きく、前記電極は、少なくとも一つの主方向に沿った２つの平行な平面において、互いに移動可能である、可変キャパシタ装置である。
【００２２】
従って、通常操作の間は、突起間の接触は回避される。
【００２３】
一つの有利な実施形態では、平衡状態において、各電極からの突起は、他の電極からの突起に対向する。
【００２４】
本発明に従う装置では、互いに隣接する２つの移動電極の２つの突起の端を隔てる距離は、１マイクロメータ未満である。
【００２５】
第１変形実施形態では、突起はドーム形状である。
【００２６】
第２変形実施形態では、突起は４面体形状である。
【００２７】
第３変形実施形態では、突起はほぼ平行６面体形状の埋め板形態である。
【００２８】
第１実施形態では、第１固定電極はフレーム状に形成され、第２可動電極は前記フレーム内に配置されている。
【００２９】
可動電極は、有利に形状が引き伸ばされ得、両表面に突起を含み、固定電極を形成するフレームは、可動電極の表面に対向する内面に突起を含んでいる。
【００３０】
第２変形実施形態では、本発明に従う装置は、伸張された固定電極を多数含む第１固定部分と、伸張された可動電極を多数有し、固定部分に対して自由に移動する部分と、を含んでも良く、各固定電極は移動電極に対向して配置される。
【００３１】
突起は、電極の２つの正反対の表面に有利に配置されている。
【００３２】
第１部分は、フレームの形態でも良く、第１電極は、固定フレームの第１側面の内面に一端が固定され、電極は、第１側面に平行なフレームの第２側面の内面に一端が固定され、フレーム内において、可動部分は可動電極が各面に固定されたシャフトの形態であり、可動電極は固定電極の間に挿入されている。
【００３３】
電極は、少なくとも２方向に作用することができる２次元装置を作るように板形態で伸張しても良い。
【００３４】
突起は、正則行列の形態で有利に分布する。
【００３５】
突起は、平行な梁を形成するように、板の上で、ほぼ長手方向に伸張する。梁は、可動櫛状部の変位の主方向に対して、有利に傾斜する。
【００３６】
第２実施例に従う装置では、電極が板形態で伸張して梁を含む場合、シャフトの一側面に配置された梁は、シャフトの他の側面の梁の傾きとは異なる傾きで好ましくは配置され、例えば、可動シャフトで規定される平面に対して対称であっても良い。有利に、これは、静電容量の変化が小さい死角方向を有することを避ける。
【００３７】
本発明に従う装置の寸法がナノメータの場合、突起はナノチューブで形成されても良い。
【００３８】
本発明は、以下の記述と添付図面を読んだ後に、より良く理解される。
−図１は、本発明に従うキャパシタの第１の実施形態の平面図である。
−図２は、本発明に従う装置の第２の実施形態の透視図である。
−図３は、本発明に従うキャパシタの第３の実施形態の部分図である。
−図４は、本発明に従う複数のキャパシタを含む本発明に従うエネルギー変換装置の平面図である。
−図５は、図４の装置の３次元変形実施形態のＹ軸に直交する平面における断面図である。
−図６Ａは、キャパシタの２枚の板の間の電界線の図である。
−図６Ｂは、傾斜した板を備えたキャパシタの図である。
−図７は、従来技術に従うキャパシタの平面図である。
各図において、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸は、直交座標系の形態で示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
図１に、可動要素に固定され得る第１電極２と、第１電極２に対して自由に移動する第２電極４とを含む、本発明に従う第1の実施形態を示す。
【００４０】
本実施例では、固定電極２は、移動電極４が内部に設置された、略矩形フレームの形態である。
【００４１】
移動電極４は、図中双方向矢印で示されるフレキシブル接続手段６、例えば、伸縮スプリング型の手段、によって、固定電極２に接続されている。
【００４２】
固定電極２は、前記フレームから内側に突出した突起１０のベースを形成するフレーム８を含んでいる。
【００４３】
本実施例では、突起１０は、矩形の最大面に配置されている。
【００４４】
可動電極４は、伸張体１２を含んでおり、伸張体１２は、伸張体１２の主表面１６、１８の各側に突出する突起１４を含んでいる。
【００４５】
本実施例における突起１０、１４の形状はほぼ同等であるが、異なる形状、異なるサイズの突起を用いることができる。
【００４６】
突起１０、１４は、ほぼドーム形状、または半円形状である。
【００４７】
電極４は、平衡位置の周辺で、主にＸ方向に振動する。キャパシタは、Ｘ方向の移動に特異的に反応し、単一方向性と言える。
【００４８】
例えば、突起１０の数と突起１４の数とが等しく、各突起１０が突起１４に対するように、突起１０、１４が同じように配置されている。さらに、静止時においては、突起１０の自由端１０．１が突起１４の自由端１４．１に対向して有利に配置される。こうして、平衡位置において突起を分離する距離、特に、自由端１０．１と自由端１４．１とを分離する距離は、エネルギー回収が最適となり得るように最小である。
【００４９】
電極２、４、特に、電極２に対する電極４の移動中に、２つの突起１０、１４との間の最小距離に達するため、その振幅にかかわらずに、エネルギー回収は、小さい振幅の移動に対して良好である。さらに、各移動の間に、キャパシタの最大値、または突起間の最小値に達するため、この変換は毎回最適化される。旧式のキャパシタの場合、この最大静電容量は、２つの突起の間の距離よりも小さい所定の振幅の移動においてのみ達成される。
【００５０】
さらに、接触の危険性がたいへん低く、接触は不規則な移動においてのみ起こるため、突起間の接触を防止する機械的停止が不要であり、２つの対面する突起の自由端の間の最小距離を非常に小さくすることができる。前述したように、これにより、エネルギー変換の効率を大いに上げることができる。
【００５１】
さらに、２つの対向する突起の間の距離が大変小さいキャパシタは、同一の回収エネルギーに対して、より低い電圧で機能する。
【００５２】
この最小距離は、１ミクロン未満、例えば、０．１ミクロン、であってもよい。そのような距離は、例えば、ＣａｓｉｍｉｒまたはＶａｎ  ｄｅｓ  Ｗａｌｌｓ力のような、このスケールで生じ、さらに変換効率を向上させることができる新しい力を利用することができる、という利点をも備える。
【００５３】
さらに、一方の電極の他方の電極に対する移動は、電極の変位方向において対向する部分を含んでいないため、２つの突起間の距離に制限されない。
【００５４】
その結果、可動電極の変位の振幅は、２つの突起間の距離より大きくなるようにすることが可能である。従って、変位の間に、ある突起の自通端は、他の電極の突起の複数の自由端の前を通過する。こうして、キャパシタの構造に依存せずに変位する可動電極を有することができる。本発明に従う構造は、周波数と振幅との観点で、可動電極に広い変位範囲を持たせることが可能である。これらの変位は、例えば、高い電気周波数、および／または、高い変換レートを得るのに十分である。
【００５５】
可動電極は、励起周波数と同等の周波数で、しかしながら、互いにかみ合った指状部を供えたキャパシタの振幅よりも大きい振幅で動く。これは、静電容量の大きな変化を導き、そのために、エネルギーの変換効率を向上させる。
【００５６】
このように、２つの突起の間のピッチを最適化することにより、そして特に、固定電極に対する移動電極の変位の振幅より小さくピッチを選ぶことにより、得られる電気周波数は、電極４の移動で生じる振動周波数より高くなり得る。
【００５７】
機械的エネルギーは、可動部分の突起が、静止時とは同一の突起でなくてもよい固定部分の突起に対向している場合はいつでも電気的エネルギーに変換される。このように、エネルギー変換は、複数の突起に分配され、電気的周波数は、所望の電気周波数を得るために選択された遭遇する突起の数に比例する。
【００５８】
さらに、電荷の転送は少量に分けられるため、キャパシタの作動電圧は低い。
【００５９】
キャパシタに蓄えられたエネルギーは、当業者に自明な、適切な現行のエネルギー抽出回路によって抽出される。
【００６０】
図２は、いわゆる２次元キャパシタであり、言い換えれば、ＸとＹの２方向に沿った移動の検出が可能である。電極１０４は、Ｘ方向およびＹ方向に沿って、平衡位置の周囲で移動することができる。
【００６１】
本実施例では、電極１０２、１０４は、板の形態であり、突起１１０、１１４は、４面体形態であり、電極１０２、１０４に、マトリクス形態で均一に分布されている。
【００６２】
しかしながら、他の適切な形状を備えた突起を与えることもできる。突起は、同じサイズと形状、または、可動部分の制動が要求される場合に特に有利な、異なるサイズと形状であってもよい。静電気力は、突起間の距離に依存する。この距離がばらつけば（同一電極における突起の異なる高さにより）、静電気力はばらつき、例えば、変位振幅が増えた場合に制動力が増加し得る。
【００６３】
電極の全領域に渡って、突起を不均一に配分することも可能である。異なる高さの突起に関しては、突起の不均一な配分は、可動部分の制動を増加させ得る。充電／放電周期の周波数は、大きな変位により影響される領域における電極の突起間の距離を縮めることにより、変化させることができる。
【００６４】
固定電極と可動電極を交互に有して平行面に配分され、並列に配置された複数のキャパシタを含む変換システムを設計することも可能である。ここで、電極は、二つの主平面に突起を有利に有する。
【００６５】
図３は、突起２１４が右傾体の形態である２方向キャパシタに用いられ得る電極２０４の他の実施形態である。本実施例では、突起２１４は互いに平行であり、長手軸は、対向する平面において変化を得るために、主変位方向を形成するＸおよびＹ軸から有利に傾いている。
【００６６】
突起がＹ軸に沿って伸張する場合は、Ｙ方向に沿って動く電極は、対向する突起の距離においてわずかな変位しか見出せない。
【００６７】
対向電極は、同一の、または異なる形状を有してよい。
【００６８】
対向電極が同一である場合、言い換えれば、突起が同一方向である場合、突起は、静止時において互いに有利に対向する。従って、ＸＹ平面に平行な平面における２つの電極のうちの一方の動きが、可変静電容量の値を変更する。
【００６９】
少なくとも一つの電極がＺ方向に変位し得る場合、Ｘ、Ｙ、Ｚの３方向に感度のあるキャパシタを得ることも可能である。
【００７０】
突起は、例えば三角や半円等、どのような形状であってもよい。
【００７１】
可変キャパシタにおいて電極の相対変位で発生する静電気力は、例えば、固定部分と可動部分とを接続するスプリングにより加えられる、システムの機械的復帰力に反発する傾向がある。
【００７２】
本発明に従う装置においては、発生した静電気力は、機械的復帰力と同様に、装置を平衡位置にする傾向がある。従って、二つの力は、組み立て品の安定性と、互いの電極の動きの減衰に貢献する。これは、共鳴周波数が調整され得ることを意味する。
【００７３】
静電気力が機械的復帰力より小さいことは、もはや確認する必要はない。
【００７４】
変位振幅に伴い増加する、従って、ある意味では、振幅に伴い増加する共鳴周波数を導く静電気力を生じる突起の適切な形状を選択することにより、静電気力の変化を制御し、および／または、移動電極と固定電極との間の変位の振幅に依存させることも可能である。
【００７５】
静電気力の変化またはキャパシタの静電容量を算出するために、以下の単純化したモデルが用いられ得る。
【００７６】
図６Ａに、角度αをなす２枚の導電板５０２、５０４の端部から離れた２つの部位を結ぶ電界線５０１を示す。それぞれが板の部位に垂直な２本の等しい長さの線分で構成された折れ線５０３は、電界線の端部５０６、５０８で電界線５０１に接している。
【００７７】
板の間では電界の発散はゼロであるため、電界線の曲率は一律であり、折れ線５０３の長さｚ１は、電界線の長さの良い近似値を与えるものと仮定する。ｈは、板５０２の垂直方向に沿った、２枚の板の間の距離である。
【００７８】
従って、
【数１】
2009504114.tif 000003
【００７９】
さらに、２枚の板の部位の間の微分容量は、Ｘ軸に沿った位置に依存して長さｚ１に反比例するため、２枚の板の間の静電容量は、板５０２に沿う線積分である。
【００８０】
【数２】
2009504114.tif 000004
【００８１】
ｋ、Ｋの大きさは、大きさを定義することなく理解され得る倍率である。
【００８２】
静電気力は、変位の間の静電気エネルギーの微分係数を算出することで得られる。説明を簡単にするために、また一般的場合を制限することなく、変位が板の間の空間と共線的な図６Ｂの構造に適用されるキャパシタの一定電荷Ｑでの作用を考える。
【００８３】
静電気力は、次式で表現され得る。
【００８４】
【数３】
2009504114.tif 000005
【００８５】
２枚の板が平面であり、平行であり、ｘ方向に沿う長さがＸ１であり、距離Ｚの間隔を隔てる、α＝０の代表的形態の場合、発展モデルは、板の間の距離に反比例する静電容量と、一定の静電気力とを実質的に与える。
【００８６】
この場合、（式I）から開始し、ｚ１＝Ｚで、
【００８７】
【数４】
2009504114.tif 000006
【００８８】
（式II）を用いて、ｆｅを得、定数ｆｅを得る。
【００８９】
従って、本モデルは、物理現象を表現するように見える。
【００９０】
板の一方が傾斜を含んでいる場合（α≠０）（図６Ｂ）、計算は以下の結果を与える。
【数５】
2009504114.tif 000007
【００９１】
静電気力は、もはや一定ではなく、板の間の距離により弱まることが観察される。例えば、角度α＝１０°、長さＸ＝２００μｍとすると、（式II）は、板が１μｍから１００μｍに離れた場合、係数３５で割られる静電気力を与える。このように形成されたモデルは、傾斜する板と平らな板とを備えた板の分離変位の場合において、静電気力を表す。本発明に従えば、この変位は、２枚の平行な平面に沿って傾斜が適合された、２枚の板の変位と同等である。
【００９２】
この例は、可変キャパシタの板の構築は、静電容量と、キャパシタの板の間に作用する静電気力の変化のコントロールを可能とすることを示している。例えば、従来構造の一定電圧でのエネルギー回収に適合される静電気力には変化がない一方、容量性の表面の構築は、エネルギー回収に対する静電気力の利用を可能とする。
【００９３】
図１〜図３に示すキャパシタは、２次元（平面）または３次元配列で結合され得る。
【００９４】
図４は、本発明に従う複数のキャパシタを結合したエネルギー回収装置の例を示す。
【００９５】
この装置は、固定フレームを形成する外部部分３００と、フレーム３００に対して変位可能な内部部分３０１とを含んでいる。
【００９６】
フレーム３００は、フレーム３００の第１長尺側に対して並列し、長手方向端部が垂直に固定されている多数の第１電極３０２と、フレーム３００の第２長尺側に対して並列し、長手方向端部が垂直に固定されている多数の第２電極３０２´とを含んでいる。
【００９７】
本例では、電極３０２、３０２´は、長手方向に垂直であり、各電極３０２は電極３０２´と一直線上に並んでいる。しかし、この構造は、限定的ではない。例えば、長手方向から傾斜する電極３０２、３０２´、Ｙ軸方向に沿ってオフセットした電極３０２、３０２´が提供され得る。
【００９８】
第２部分３０１は、電極３０４、３０４´がシャフト３０３の中心線にほぼ垂直にスタートする中央シャフト３０３を含んでいる。電極３０４は電極３０４´と一直線上に並んでいるが、この配置は、限定的ではない。
【００９９】
電極３０２と３０４は互いにかみ合い、電極３０２´と３０４´は互いにかみ合う。
【０１００】
各電極３０２、３０２´、３０４、３０４´は、図１を参照して上述したような、突出する突起３１０、３１０´、３１４、３１４´をそれぞれ含む。
【０１０１】
この例では、突起は矩形形状で示している。有利に、平衡位置においては、電極の各突起は、上述したようなエネルギー回収効率を最適化する、対向する電極の突起を有する。
【０１０２】
フレーム３００と部分３０１とを繋ぐ弾性復帰手段が備えられている（不図示）。
【０１０３】
第２部分３０１は、主に、Ｘ方向に変位し得る。
【０１０４】
従って、電極３０２、３０４と３０２´、３０４´との間の変位振幅は、突起間の空隙に制限されることはない。
【０１０５】
この振幅は、電極３０２、３０２´の一端とシャフト３０３とを隔てる距離、および／または、電極３０４、３０４´の一端とフレーム３０１の長尺辺とを隔てる距離により制限される。これらの距離の大きさのオーダーは、数ミリメーターのオーダーであり、一方、現状技術による装置においては、制限距離は百ミクロンのオーダーである。
【０１０６】
上述したように、突起の間隔を可動部分３０１の移動振幅より小さく選択することにより、得られる結果は、機械的発振周波数の数倍であり、最適なサイズの電子システムにより良く適応される、電気的周波数である。
【０１０７】
次の表は、同一サイズを有する、現状技術（図７）に従うキャパシタの特性と、図５に示すエネルギー回収装置との比較を示す。
【０１０８】
2009504114.tif 000008
【０１０９】
電気的周波数が、従来装置の電気的周波数に比べて著しく高く、より小型の電子制御装置が利用され得ることがわかり得る。
【０１１０】
さらに、回収エネルギーが、本発明に従う装置で回収され得るエネルギーとほぼ同じであり、しかしながら、充電電圧は、従来技術に従う装置に対する３１３Ｖに比べ、わずか１０．２Ｖである。
【０１１１】
図５に示す装置は、単一方向型であり、しかしながら、電極３０２、３０２´、３０４、３０４´がＺ軸方向に伸張される場合は、２次元型になり得る。この電極は、ＸＺ平面に平行な平面に沿って伸びる電極の全表面に渡って分配された突起の連続を含む。
【０１１２】
図３に示す電極の構造を備えた電極も利用され得る。対向する電極は同一であり、言い換えれば、細長い突起が、Ｘ軸とＺ軸から傾いた同じ方向に沿って配置される。
【０１１３】
対向する電極の各対の傾きは、対向する電極の表面の突起の他の対の傾きと異なっても良い。
【０１１４】
図５は、図４に従う２次元装置のＹ軸に直行する平面における断面図である。
【０１１５】
本実施例では、電極４０２、４０４の突起４１０、４１４は、ＹＺ平面に平行な平面に関して、電極４０２´、４０４´の突起４１０´、４１４´と対称であり、従って、装置は、ＸＺ平面において変位方向の死角、言い換えれば、静電容量変化のない、または少ない方向がない。
【０１１６】
すべての突起の配向が同じ方向に確定している場合、可動部分４０４がこの確定方向に変位する際、対向する突起間の距離はわずかに変わるだけなので、この変位はわずかな静電容量変化を生じる。
【０１１７】
図５に示す例の場合は、可動部分が確定方向に移動した場合、図５の右部分の突起は他の方向に沿って配置されており、より大きな静電容量変化を生じるであろう。図５に示す構造は、可動部分の変位の作用として最適な静電容量変化を生じる。
【０１１８】
突起４０２、４０４と４０２´、４０４´の配向は、対称である必要はない。
【０１１９】
本発明に従う電極は、例えば、放電加工、フライス加工、回転加工等の機械加工、または接着により作られても良く、あるいは、突起は、基質に転移することができ、突起が作られる材料は、可能であれば基質に使われる材料と同じとし、あるいは異なる材料であっても良い。
【０１２０】
これらの電極は、材質の成長、エッチング、薬品による腐食などの微小技術プロセスを用いても作られ得る。
【０１２１】
さらに、突起のサイズがナノメータオーダーの場合は、転移、成長、または突起を作るための他のプロセスにより得られるカーボンナノチューブを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明に従うキャパシタの第１の実施形態の平面図である。
【図２】本発明に従う装置の第２の実施形態の透視図である。
【図３】本発明に従うキャパシタの第３の実施形態の部分図である。
【図４】本発明に従う複数のキャパシタを含む本発明に従うエネルギー変換装置の平面図である。
【図５】図４の装置の３次元変形実施形態のＹ軸に直交する平面における断面図である。
【図６Ａ】キャパシタの２枚の板の間の電界線の図である。
【図６Ｂ】傾斜した板を備えたキャパシタの図である。
【図７】従来技術に従うキャパシタの平面図である。
【符号の説明】
【０１２３】
２、１０２、２０２、３０２、３０２´、４０２、４０２´  固定電極（第１電極）
４、１０４、３０４、３０４´、４０４、４０４´  移動電極（第２電極）
１０、１１０、２１０、３１０、３１０´、４１０、４１０´  突起
１４、１１４、３１４、３１４´、４１４、４１４´  突起
６  フレキシブル接続手段
８  フレーム
３０３  シャフト
５０１  電界線
５０２、５０４  導電板
７０２  第２固定櫛状部
７０４  第１可動中央櫛状部
【図１】
2009504114.tif 000009
【図２】
2009504114.tif 000010
【図３】
2009504114.tif 000011
【図４】
2009504114.tif 000012
【図５】
2009504114.tif 000013
【図６Ａ】
2009504114.tif 000014
【図６Ｂ】
2009504114.tif 000015
【図７】
2009504114.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月4日(2007.12.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの第１固定電極（２、１０２、２０２、３０２、４０２）と、固定電極（２、１０２、２０２、３０２、４０２）に対して自由に移動する第２電極（４、１０４；３０４、４０４、）と、を含み、各電極は、導電性の本体と前記本体の少なくとも一つの表面から突出する導電性の突起（１０、１１０、２１０、３１０、４１０、１４、１１４、３１４、４１４）とを含み、各電極は、突起が備えられた各電極の表面が互いに対向するように配置され、互いに対向する２つの表面を隔てる距離は、固定電極からの突起（１０、１１０、２１０、３１０、４１０）と可動電極からの突起（１４、１１４、３１４、４１４）の高さの和よりも大きく、前記電極は、少なくとも一つの主方向に沿った２つの平行な平面において、互いに移動可能である、
可変静電容量装置。
【請求項２】
平衡状態において、電極からの各突起は、他の電極からの突起に対向する、
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
互いに隣接する２つの可動電極の２つの突起の端を隔てる距離は、１マイクロメータ未満である、
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
突起（１０、１４）がドーム形状である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
突起（１１０、１１４）が４面体形状である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
突起がほぼ平行６面体形状の埋め板形態である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
第１固定電極（２）がフレーム状に形成され、第２可動電極（４）が前記フレーム（２）内部に配置されている、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
可動電極（４）は、形状が伸張され、両表面に突起(１４)を含み、固定電極を形成するフレーム（２）は、可動電極の表面に対向する内面に突起を含んでいる、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
伸張された固定電極（３０２、３０２´）を多数含む第１固定部分と、伸張された可動電極（３０４、３０４´）を多数有し、固定部分に対して自由に移動する部分と、を含み、各固定電極（３０２、３０２´）が可動電極（３０４、３０４´）に対向して配置される、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
突起（３１０、３１０´、３１４、３１４´）が、電極（３０２、３０２´、３０４、３０４´）の２つの正反対の表面に配置されている、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
第１部分がフレームの形態であり、固定電極(３０２)が、固定フレームの第１側面の内面に一端が固定され、電極(３０２´)は、第１側面に平行なフレームの第２側面の内面に一端が固定されるとともに、可動部分が、可動電極（３０４、３０４´）が各面に固定されたシャフト(３０３)の形態であり、可動電極（３０４、３０４´）が固定電極（３０２、３０２´）の間に挿入されている、
請求項９または１０に記載の装置。
【請求項１２】
電極（２０２、４０２、４０４）が、板形態で伸張する、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
突起が、正則行列の形態で有利に分布する、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１４】
突起（２１４、４１０、４１０´、４１４、４１４´）が、平行な梁を形成するように、板の上で、ほぼ長手方向に伸張する、
請求項１２に記載の装置。
【請求項１５】
梁（２１４、４１０、４１０´、４１４、４１４´）が、可動電極の変位の主方向に対して傾斜する、
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１６】
シャフト(３０３)の一側面に配置された梁(４１０、１４１)が、シャフトの他の側面の梁（４１０´、４１４´）の傾きとは異なる傾きで配置される、
請求項１１と組み合わせた請求項１４または１５に記載の装置。
【請求項１７】
梁（４１０、４１４、４１０´、４１４´）が、可動シャフトで規定される平面に対して対称である、
請求項１〜１６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１８】
突起がナノチューブから形成される、
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の装置。
【国際調査報告】
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