(57)【要約】【課題】帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成しながら、帯電膜を正に帯電する材料と負に帯電する材料とで構成した場合と同等に電気機械変換器の出力を向上させる。【解決手段】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は、固定基板と、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に対向面である第１の面およびその対向面とは反対側の第２の面において、第１の面と第２の面とで可動部材の移動方向に互い違いに形成され、かつ互いに同じ極性に帯電した複数の帯電膜と、固定基板の可動部材との対向面において移動方向に配置された複数の対向電極とを有し、可動部材の第１および第２の面における帯電膜同士の間の領域に複数の帯電膜とは反対の極性の電荷が誘起されることで、第１および第２の面では互いに反対の極性に帯電した領域が移動方向に交互に配置されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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移動可能な可動部材と、
前記可動部材の前記固定基板との対向面である第１の面および前記可動部材の前記対向面とは反対側の面である第２の面において、前記第１の面と前記第２の面とで前記可動部材の移動方向に互い違いに形成され、かつ互いに同じ極性に帯電した複数の帯電膜と、
前記固定基板の前記可動部材との対向面において前記移動方向に配置された複数の対向電極と、を有し、
前記可動部材の前記第１の面および前記第２の面における前記帯電膜同士の間の領域に前記複数の帯電膜とは反対の極性の電荷が誘起されることで、前記第１の面および前記第２の面では互いに反対の極性に帯電した領域が前記移動方向に交互に配置されている、
ことを特徴とする電気機械変換器。
【請求項２】
前記可動部材は誘電体で構成されている、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記複数の帯電膜は、前記可動部材の前記第１の面および前記第２の面において前記第１の面と前記第２の面とで前記移動方向に互い違いに形成された複数の溝部を満たすように形成されており、
前記可動部材の前記第１の面および前記第２の面は、前記複数の帯電膜および前記複数の溝部による凹凸がない平坦面である、請求項１または２に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
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の固定基板をさらに有し、
前記複数の対向電極は、前記第２の固定基板の前記可動部材との対向面においても前記移動方向に配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５】
前記可動部材は、前記可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、
前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極は、それぞれ前記回転軸を中心として放射状に配置されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項６】
前記可動部材は、前記固定基板に平行な方向に往復移動可能なスライド板であり、
前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極は、それぞれ前記移動方向に垂直に延びる帯状の形状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項７】
極性が交互に切り替わる電圧を前記複数の対向電極に印加して、前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極との間で発生する静電気力により前記可動部材を移動させる駆動部をさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項８】
前記可動部材の移動に応じて前記複数の帯電膜と前記複数の対向電極との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する蓄電部をさらに有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項９】
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、
基板の第１の面および前記第１の面とは反対側の面である第２の面に、前記第１の面と前記第２の面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域を形成する工程と、
前記基板を接地するとともに、前記複数の薄膜領域のそれぞれに対向するように放電用電極を配置して、前記放電用電極から前記基板に向けて放電により電子を放出させることで、前記複数の薄膜領域を同時に帯電させる工程と、
複数の対向電極が配置された固定基板との間で一定の距離を保って移動可能なように、前記固定基板に対向させて前記基板を配置する工程と、を有し、
前記帯電させる工程により、前記基板の前記第１の面および前記第２の面における前記薄膜領域同士の間の領域に前記複数の薄膜領域とは反対の極性の電荷が誘起されて、前記第１の面および前記第２の面では互いに反対の極性に帯電した領域が交互に形成される、
ことを特徴とする製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換器およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半永久的に電荷を保持する性質を持つ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には、エレクトレットが設けられた第一の電極と、エレクトレットから離間配置された第二の電極とを備え、外部からの振動によってエレクトレットおよび第二の電極の一方が他方に対して相対的に運動する静電誘導型発電素子が記載されている。また、特許文献２には、複数のエレクトレット膜を備えた第１の基板と、複数の電極を備えた第２の基板とで構成され、第１の基板が側方運動を行うことにより、エレクトレット膜と電極との重なり面積が増減して電極に電荷の変化が生じ、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う静電誘導型発電器が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１３８５１４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１０／０４７０７６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、こうした電気機械変換器の帯電膜（帯電部）は、正または負のどちらか一方に帯電する材料のみで構成される。例えば、電気機械変換器が動力を電力に変換する発電器の場合には、その発電出力は帯電部の電位と接地電位との電位差に応じた大きさになるため、発電出力をそれ以上に向上させることは難しい。この点は、電気機械変換器が電力を動力に変換する電動機の場合でも同様である。
【０００５】
正に帯電する材料と負に帯電する材料とで２種類の帯電膜を作製し、それらを交互に配置して帯電部を構成すれば、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成した場合よりも電気機械変換器の出力は向上する。しかしながら、その場合には、２種類の材料で正の帯電膜と負の帯電膜とを両方作製する必要があり、電気機械変換器の製造時の帯電工程などが複雑になる。
【０００６】
本発明は、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成しながら、帯電膜を正に帯電する材料と負に帯電する材料とで構成した場合と同等に電気機械変換器の出力を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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移動可能な可動部材と、可動部材の固定基板との対向面である第１の面および可動部材の対向面とは反対側の面である第２の面において、第１の面と第２の面とで可動部材の移動方向に互い違いに形成され、かつ互いに同じ極性に帯電した複数の帯電膜と、固定基板の可動部材との対向面において移動方向に配置された複数の対向電極とを有し、可動部材の第１の面および第２の面における帯電膜同士の間の領域に複数の帯電膜とは反対の極性の電荷が誘起されることで、第１の面および第２の面では互いに反対の極性に帯電した領域が移動方向に交互に配置されていることを特徴とする電気機械変換器が提供される。
【０００８】
上記の電気機械変換器では、可動部材は誘電体で構成されていることが好ましい。
【０００９】
上記の電気機械変換器では、複数の帯電膜は、可動部材の第１の面および第２の面において第１の面と第２の面とで移動方向に互い違いに形成された複数の溝部を満たすように形成されており、可動部材の第１の面および第２の面は、複数の帯電膜および複数の溝部による凹凸がない平坦面であることが好ましい。
【００１０】
上記の電気機械変換器は、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の固定基板をさらに有し、複数の対向電極は、第２の固定基板の可動部材との対向面においても移動方向に配置されていることが好ましい。
【００１１】
上記の電気機械変換器では、可動部材は、可動部材の中心を通る回転軸の周りに回転可能であり、複数の帯電膜と複数の対向電極は、それぞれ回転軸を中心として放射状に配置されていることが好ましい。
【００１２】
上記の電気機械変換器では、可動部材は、固定基板に平行な方向に往復移動可能なスライド板であり、複数の帯電膜と複数の対向電極は、それぞれ移動方向に垂直に延びる帯状の形状を有することが好ましい。
【００１３】
上記の電気機械変換器は、極性が交互に切り替わる電圧を複数の対向電極に印加して、複数の帯電膜と複数の対向電極との間で発生する静電気力により可動部材を移動させる駆動部をさらに有することが好ましい。
【００１４】
上記の電気機械変換器は、可動部材の移動に応じて複数の帯電膜と複数の対向電極との間の静電誘導により発生した電力を蓄積する蓄電部をさらに有することが好ましい。
【００１５】
また、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、基板の第１の面および第１の面とは反対側の面である第２の面に、第１の面と第２の面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域を形成する工程と、基板を接地するとともに、複数の薄膜領域のそれぞれに対向するように放電用電極を配置して、放電用電極から基板に向けて放電により電子を放出させることで、複数の薄膜領域を同時に帯電させる工程と、複数の対向電極が配置された固定基板との間で一定の距離を保って移動可能なように、固定基板に対向させて基板を配置する工程とを有し、帯電させる工程により、基板の第１の面および第２の面における薄膜領域同士の間の領域に複数の薄膜領域とは反対の極性の電荷が誘起されて、第１の面および第２の面では互いに反対の極性に帯電した領域が交互に形成されることを特徴とする製造方法が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
上記の電気機械変換器によれば、帯電膜を正負の一方に帯電する材料で構成しながら、帯電膜を正に帯電する材料と負に帯電する材料とで構成した場合と同等に電気機械変換器の出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】電気機械変換器１の概略構成図である。
【図２】発電部１０の斜視図である。
【図３】回転軸１１を中心とする円周方向に沿った発電部１０の部分断面図である。
【図４】回転錘１８の配置例を示す電気機械変換器１の断面図である。
【図５】帯電膜１４の帯電方法を説明するための図である。
【図６】別の回転部材１２’の部分断面図である。
【図７】別の発電部１０’の部分断面図である。
【図８】別の電気機械変換器１’の概略構成図である。
【図９】さらに別の電気機械変換器２の概略構成図である。
【図１０】さらに別の電気機械変換器３の概略構成図である。
【図１１】比較例の発電部と発電部１０の出力波形の差異を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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を説明する。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。
【００１９】
図１は、電気機械変換器１の概略構成図である。電気機械変換器１は、発電部１０および蓄電部２０を有する。発電部１０は、回転軸１１、回転部材１２、固定基板１３、帯電膜１４および対向電極１５，１６を有する。図１では、発電部１０として、固定基板１３の上面と回転部材１２の下面を並べて示している。電気機械変換器１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、回転部材１２と対向電極１５，１６との間の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器）である。
【００２０】
図２は、発電部１０の斜視図である。図３は、回転軸１１を中心とする円周方向に沿った発電部１０の部分断面図である。図２および図３に示すように、発電部１０は、互いに平行に配置された回転部材１２および固定基板１３で構成される。回転部材１２と固定基板１３の間には、一定の間隔が空けられている。図３では、簡単のために、図の横方向が回転部材１２および固定基板１３の円周方向（図２の矢印Ｃ方向）に相当するように変形して図示している。
【００２１】
回転軸１１は、回転部材１２の回転中心となる軸であり、図２に示すように、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。なお、図３では回転軸１１の図示を省略している。
【００２２】
回転部材１２は、可動部材の一例であり、例えばシリコン基板また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。回転部材１２の材質は、金属よりも誘電体である方が好ましい。図２に示すように、回転部材１２は、例えば円板状の形状を有し、その中心で回転軸１１に接続している。発電部１０では、例えば回転部材１２か、または回転部材１２とは別々に、重量バランスの偏りを有する回転錘が取り付けられる。回転部材１２は、電気機械変換器１を携帯する人体の運動または電気機械変換器１が取り付けられた機械などの振動を動力源として、回転軸１１の周りを、円周方向である図２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移動可能である。
【００２３】
図４は、回転錘１８の配置例を示す電気機械変換器１の断面図である。図４では、回転部材１２を回転させるための回転錘１８が、電気機械変換器１の筐体内で回転部材１２とは別に配置された場合の例を示している。図示した例では、回転錘１８は、電気機械変換器１の筐体内に設けられた回転軸１１とは別の回転軸１１’に取り付けられている。この場合、回転軸１１には歯車１９が、回転軸１１’には歯車（増速輪列）１９’がそれぞれ取り付けられ、歯車１９と歯車１９’とが連結している。これにより、回転錘１８の回転運動が歯車１９’を介して歯車１９に伝達して、回転部材１２を回転させることができる。
【００２４】
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に示すように、固定基板１３は、例えば円板状の形状を有し、回転部材１２の下面に対向して回転部材１２の下側に配置されている。固定基板１３は、回転部材１２とは異なり、図示しない電気機械変換器１の筐体に固定されている。
【００２５】
帯電膜１４は、エレクトレット材料で構成された薄膜であり、回転軸１１の周辺の中央部分を除いて、回転部材１２の上下面に、回転軸１１を中心として放射状に形成されている。帯電膜１４は、円周方向に間隔を空けて形成された矩形または略台形の複数の部分領域で構成され、すべて同一の極性に帯電している。以下では、帯電膜１４は負に帯電しているものとして説明する。帯電膜１４のエレクトレット材料としては、例えば、ＣＹＴＯＰ（登録商標）に代表されるフッ素樹脂などの樹脂材料、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）もしくはポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などの高分子材料、または、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）もしくはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの無機材料が用いられる。
【００２６】
帯電膜１４は、固定基板１３との対向面である回転部材１２の下面（第１の面）と、その対向面とは反対側の面である回転部材１２の上面（第２の面）とにおいて、互いに１ピッチ分ずつずれて配置されている。すなわち、回転部材１２の下面で帯電膜１４が配置された円周方向の位置における回転部材１２の上面には、帯電膜１４は配置されておらず、同様に、回転部材１２の上面で帯電膜１４が配置された円周方向の位置における回転部材１２の下面にも、帯電膜１４は配置されていない。言い換えると、帯電膜１４は、回転部材１２の下面と上面とで、回転部材１２の回転方向に互い違いに形成されている。
【００２７】
図３に示すように、帯電膜１４の表面には負の電荷が集中し、回転部材１２に接している側の帯電膜１４の面には正の電荷が誘起される。これにより、回転部材１２でも、帯電膜１４に接している側の面には負の電荷が誘起され、帯電膜１４とは反対側の面には正の電荷が誘起される。このため、負に帯電した帯電膜１４を回転部材１２の片面に配置すると、その基板の裏面には正の電荷が誘起される。回転部材１２を誘電体で構成することにより、回転部材１２の帯電膜１４とは反対側の表面に、帯電膜１４とは反対の極性の電荷が誘起され、その反対側の表面が帯電膜１４とは反対の電位になる。したがって、負に帯電する１種類の帯電材料だけで、正に帯電した帯電膜と負に帯電した帯電膜とを両方作製したのと同じ状態を実現することができる。
【００２８】
このように、回転部材１２では、上下面における帯電膜１４同士の間の矩形または略台形の領域１２１に、帯電膜１４とは反対である正の電荷が誘起される。回転部材１２では、負に帯電した帯電膜１４が上面と下面において円周方向に交互に配置されており、正の電荷が誘起される帯電膜１４以外の領域１２１も、上面と下面において円周方向に交互に配置されている。このため、回転部材１２の上下面には、それぞれ、互いに反対の極性に帯電した正の帯電領域１２１と負の帯電膜１４とが円周方向に交互に配置されている。さらに、それらの配置は、上面と下面で１ピッチ分（矩形または略台形の領域１個分）ずれている。
【００２９】
対向電極１５，１６は、それぞれ矩形または略台形の複数の電極で構成され、固定基板１３の上面（回転部材１２との対向面）において、円周方向に交互に、かつ回転軸１１を中心とする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、帯電膜１４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、その大きさは帯電膜１４の幅と同じかほぼ同じであることが好ましい。また、回転部材１２の片面における帯電膜１４の個数、対向電極１５の個数、および対向電極１６の個数も、同じであることが好ましい。
【００３０】
回転部材１２が回転すると、それに伴い、回転部材１２の下面における正の帯電領域１２１および負の帯電膜１４と、対向電極１５，１６との間の重なり面積が増減する。このため、正の帯電領域１２１および負の帯電膜１４が作る電界により対向電極１５，１６に引き寄せられる電荷が、回転部材１２の回転に伴い増減する。発電部１０は、このようにして、対向電極１５と対向電極１６の間に交流電流を発生させることにより、静電誘導を利用した発電を行う。
【００３１】
蓄電部２０は、整流回路２１および二次電池２２を有し、回転部材１２の回転に応じて帯電領域１２１および帯電膜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。対向電極１５，１６からの出力は整流回路２１に接続され、整流回路２１は二次電池２２に接続されている。整流回路２１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２２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１０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。
【００３２】
図５は、帯電膜１４の帯電方法を説明するための図である。発電部１０（電気機械変換器１）の製造時には、まず、回転部材１２となる誘電体基板の上下面に、上面と下面とで互い違いになるように、相互に間隔を空けて、絶縁体による複数の薄膜領域１４’が形成される。その際、誘電体基板の上下面に帯電用の電極を形成し、その上に、帯電膜１４となる薄膜領域１４’として、例えば樹脂膜を形成してもよい。その上で、図５に示すように、誘電体基板（回転部材１２）が接地され、誘電体基板の上下面の各薄膜領域１４’に対向するように放電用電極（針電極）９１が配置される。そして、高電圧電源９０により、各放電用電極９１に例えば数千Ｖ程度の高電圧が掛けられる。
【００３３】
すると、放電用電極９１から誘電体基板に向けてコロナ放電により電子が放出されるので、その電子により、誘電体基板の上下面の薄膜領域１４’が同時に負に帯電して帯電膜１４になる。また、薄膜領域１４’の帯電に伴い、誘電体基板の上下面における薄膜領域１４’同士の間の領域１２１には、帯電膜１４とは反対の極性である正の電荷が誘起される。このため、誘電体基板の上下面では、互いに反対の極性に帯電した領域（帯電領域１２１と帯電膜１４）が交互に形成される。その上で、対向電極１５，１６が配置された固定基板１３との間で一定の距離を保って回転可能なように、固定基板１３に対向させて、誘電体基板が回転軸１１に固定される。以上の工程により、図１に示す発電部１０が完成し、さらに対向電極１５，１６を蓄電部２０に電気的に接続すれば、電気機械変換器１が完成する。
【００３４】
なお、図５に示す帯電工程は、回転部材１２の片面ずつ行ってもよい。ただし、帯電を片面ずつ行うと、先に帯電させた一方の面における帯電膜１４の電荷の一部が、次の帯電処理の影響を受けて抜ける可能性がある。このため、回転部材１２の両面の帯電膜１４を同時に帯電させた方が、帯電膜１４の電位をより大きく維持できるので好ましい。
【００３５】
図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、それぞれ、比較例の発電部と発電部１０の出力波形の差異を示す図である。図１１（Ａ）は、回転部材１２の上面側の帯電部１４がなくそれ以外は発電部１０と同一の構成を有する発電部の対向電極１５，１６からの電圧Ｖの出力波形を示し、図１１（Ｂ）は、発電部１０の対向電極１５，１６からの電圧Ｖの出力波形を示す。
【００３６】
比較例の発電部では、帯電膜１４が回転部材１２の下面（固定基板１３との対向面）のみに形成されており、上記の正の帯電領域１２１に相当するものがないので、接地電位と負電位の領域で静電誘導が発生する。このため、比較例の発電部からの出力電圧の波形は図１１（Ａ）に示すようになる。この場合、発電部からの発電出力は、帯電膜１４の負電位と、接地電位（帯電膜１４同士の間の領域の電位）との電位差に応じた大きさになる。
【００３７】
一方、発電部１０では、上記の比較例で接地電位であった帯電膜１４同士の間の領域１２１が正電位になって、正電位と負電位の領域で静電誘導が発生する。このため、発電部１０からの出力電圧の波形は図１１（Ｂ）に示すようになる。発電部１０の発電出力は、帯電膜１４の負電位と領域１２１の正電位との電位差に応じた大きさになり、発電部１０からの出力波形の幅Ａ２は、比較例の発電部からの出力波形の幅Ａ１よりも大きい。したがって、発電部１０を有する電気機械変換器１では、比較例の発電部を有する電気機械変換器と比べて静電誘導の電位差が大きくなり、発電出力が向上する。
【００３８】
また、電気機械変換器１では、負に帯電する材料だけで正の帯電領域１２１を形成することができるため、帯電材料はどちらかの一方の極性に帯電するものだけでよく、帯電膜１４を形成する工程が簡略化される。なお、領域１２１に誘起される正電荷の量を増やし電位を高くするためには、回転部材１２となる誘電体基板の厚さは、必要な強度が確保される範囲内でなるべく薄い方が好ましい。
【００３９】
図６は、別の回転部材１２’の部分断面図である。回転部材１２’は図２の回転部材１２と同様に円板状の形状を有し、図６でも、図３と同様に、図の横方向が回転部材１２’の円周方向（図２の矢印Ｃ方向）に相当するように変形して図示している。
【００４０】
回転部材１２’の上下面には、回転部材１２と同様に、それぞれ、互いに反対の極性に帯電した正の帯電領域１２１と負の帯電膜１４とが円周方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で１ピッチ分ずれている。ただし、回転部材１２は平坦な基板であり、その上下面に帯電膜１４が帯電膜１４の厚さ分だけ突出しているのに対し、回転部材１２’では、その上下面に帯電膜１４用の複数の溝部が形成されており、溝部以外の回転部材１２の表面と帯電膜１４の露出面が同一平面になっている。より詳細には、回転部材１２’の上下面には、その上面と下面とで円周方向に互い違いに複数の溝部が形成されており、回転部材１２’の帯電膜１４は、それらの溝部を満たすように形成されている。このため、回転部材１２’の上下面は、帯電膜１４およびそれらの溝部による凹凸がない平坦面である。
【００４１】
このように、帯電膜１４を回転部材に埋め込んで、回転部材１２’の上下面を平坦面にしてもよい。その場合、回転部材１２’の上下面で各溝部の深さを同じにしてもよく、例えば、各溝部の深さを回転部材１２’の厚さの１／２程度として、上下面の溝部の底面をほぼ同じ高さに揃えてもよい。あるいは、固定基板１３との対向面である回転部材１２’の下面側の領域１２１に誘起される正電荷を増やすために、回転部材１２’の下面側よりも、固定基板１３とは反対側である上面側の溝部を深くすることで、上面側の帯電膜１４の底面を固定基板１３に近付けてもよい。
【００４２】
回転部材の厚さを同じとすれば、回転部材１２よりも回転部材１２’の方が、溝部の分だけ帯電膜１４とその反対側における回転部材の表面との距離が近くなるため、その分、領域１２１に誘起される正電荷の量が多くなる。したがって、回転部材１２’を用いると、回転部材１２を用いた場合よりも、帯電膜１４の負電位と帯電領域１２１の正電位との電位差が大きくなって、発電出力がさらに向上する。また、帯電膜１４を回転部材の表面に突出させるよりも回転部材内に埋め込んだ方が、回転部材の表面の平坦度が上がるので、回転部材１２’の方が、安定して固定基板１３との間の距離を縮められる。回転部材と固定基板１３とを近付けた方がそれらの間に発生する電圧が高くなるので、この点でも回転部材１２’の方が好ましい。また、回転部材１２’では、帯電膜１４による表面の凸凹がないため、高速で回転したときでも空気抵抗が少ないという利点もある。
【００４３】
図７は、別の発電部１０’の部分断面図である。発電部１０’は、上記した発電部１０のものと同じ回転軸１１（図７では図示せず）、回転部材１２、固定基板１３、帯電膜１４および対向電極１５，１６に加えて、固定基板１７を有する。図７は、図３と同様に、図の横方向が回転部材１２および固定基板１３，１７の円周方向（図２の矢印Ｃ方向）に相当するように変形して図示している。
【００４４】
固定基板１７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と上下対称になるように、回転部材１２の上側に配置されている。固定基板１７にも、固定基板１３と同様に、対向電極１５，１６が円周方向に交互に形成されている。発電部１０’のように、回転部材１２の一方の面（下面）だけでなく他方の面（上面）にも対向電極１５，１６が対向するように、第２の固定基板である固定基板１７を配置してもよい。これにより、発電部１０と比べて、発電量を容易に増やすことができる。
【００４５】
図１に示した電気機械変換器１の発電部１０では、固定基板１３に形成された２組の対向電極１５，１６から発電電流が取り出される。電気機械変換器１の形態は、静止している固定基板１３上の電極のみから電流を取り出せばよく、回転する回転部材１２との電気的接続が不要であるため、便利である。ただし、このような形態に限らず、回転部材１２と固定基板１３の両方を蓄電部２０に電気的に接続して発電電流を取り出してもよいので、この場合の例を次に説明する。
【００４６】
図８は、別の電気機械変換器１’の概略構成図である。電気機械変換器１’の発電部１０’’は、図１の発電部１０と同様の構成を有するが、回転部材１２が蓄電部２０に電気的に接続されている点と、固定基板１３上には１組の対向電極１５のみが形成されている点が発電部１０とは異なる。発電部１０’’では、回転軸１１は導電部材で構成され、帯電膜１４を構成する矩形または略台形の各部分領域は、電気接点を介して回転軸１１に接続されている。電気機械変換器１’では、蓄電部２０が回転軸１１と対向電極１５に電気的に接続されており、それらを介して発電電流が取り出される。なお、帯電膜１４の各部分領域を１つずつ回転軸１１に接続するのではなく、部分領域同士を連結配線した上で、その連結配線を回転軸１１に接続してもよい。
【００４７】
図９は、さらに別の電気機械変換器２の概略構成図である。電気機械変換器２は、アクチュエータ３０および駆動部４０を有し、アクチュエータ３０は、電気機械変換器１の発電部１０と同一の構成を有する。アクチュエータ３０でも、回転部材１２の上下面には、それぞれ、正の帯電領域１２１と負の帯電膜１４とが円周方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で１ピッチ分ずれている。また、アクチュエータ３０の対向電極１５，１６は、それぞれ電気配線を介して駆動部４０に接続されている。電気機械変換器２は、駆動部４０に入力された電気信号をもとに、回転部材１２と対向電極１５，１６との間で発生する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。
【００４８】
駆動部４０は、アクチュエータ３０を駆動するための回路であり、クロック４１および比較器４２，４３を有する。駆動部４０は、極性が交互に切り替わる交番電圧を対向電極１５，１６に印加して、回転部材１２の帯電領域１２１および帯電膜１４と、固定基板１３の対向電極１５，１６と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。
【００４９】
図９に示すように、クロック４１の出力は比較器４２，４３の入力に接続され、比較器４２の出力は対向電極１５に、比較器４３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４２，４３は、それぞれクロック４１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４２，４３の出力信号は互いに逆の符号である。クロック４１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。
【００５０】
駆動部４０は、アクチュエータ３０の駆動時に、一方の対向電極１５に帯電膜１４の帯電と同じ符号の電圧を印加し、他方の対向電極１６に帯電膜１４の帯電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、帯電領域１２１および帯電膜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、帯電領域１２１および帯電膜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４０が交番電圧を対向電極１５，１６に印加することにより、回転部材１２には連続した力が加わるため、回転部材１２を回転させることができる。
【００５１】
アクチュエータ３０を有する電気機械変換器２でも、帯電膜１４同士の間の領域１２１が正電位になって、そこでも対向電極１５，１６との間で静電気力が発生する。このため、電気機械変換器２では、例えば帯電膜１４が回転部材１２の下面（固定基板１３との対向面）のみに形成され上記の正の帯電領域１２１に相当するものがないアクチュエータを有する比較例の電気機械変換器の場合よりも、発生する駆動力（回転トルク）が大きくなる。言い換えると、電気機械変換器２では、こうした比較例の電気機械変換器よりも低い印加電圧であっても、その比較例の電気機械変換器と同じ大きさの回転トルクが得られるという効果もある。すなわち、電気機械変換器２は、比較例の電気機械変換器よりも低消電で駆動できるため、小さい容量の電池で駆動する腕時計などの電子機器への適用に適している。
【００５２】
なお、電気機械変換器２のアクチュエータ３０でも、回転部材１２を図６の回転部材１２’に代えてもよいし、図７の発電部１０’と同様に、回転部材１２を挟んで固定基板１３とは反対側にも、対向電極１５，１６を有する第２の固定基板を配置してもよい。
【００５３】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、さらに別の電気機械変換器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４０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、帯電膜５４および対向電極５５，５６を有する。図１０（Ｂ）および図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。
【００５４】
電気機械変換器３は、駆動部４０に入力された電気信号をもとに、スライド板５２と対向電極５５，５６との間で発生する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駆動装置である。電気機械変換器の可動部材は、電気機械変換器１，１’，２の回転部材１２のように回転するものに限らず、電気機械変換器３のスライド板５２のようにスライド移動するものであってもよい。
【００５５】
スライド板５２は、可動部材の一例であり、例えばシリコン基板また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、図示しない可動支持部により筐体５１内に支持されている。スライド板５２の材質も、回転部材１２と同様に、金属よりも誘電体である方が好ましい。また、固定基板５３は、箱型の筐体５１の底面に配置されている。スライド板５２は、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。
【００５６】
帯電膜５４は、エレクトレット材料で構成されすべて同一の極性（例えば負）に帯電した薄膜であり、スライド板５２の移動方向と直交する方向に延び、かつスライド板５２の移動方向に等間隔に配置された複数の帯状（直線状）の領域で構成される。帯電膜５４は、スライド板５２の上下面において、互いに１ピッチ分ずつずれて（すなわち、スライド板５２の移動方向に互い違いに）形成されている。帯電膜５４の極性を負とすれば、スライド板５２の材質を誘電体にすることにより、スライド板５２の上下面における帯電膜５４同士の間の帯状の領域５２１には、帯電膜５４とは反対である正の電荷が誘起される。このため、アクチュエータ５０でも、スライド板５２の上下面には、それぞれ、正の帯電領域５２１と負の帯電膜５４とが矢印Ａ方向に交互に配置されており、それらの配置は、上面と下面で１ピッチ分ずれている。
【００５７】
対向電極５５，５６は、それぞれスライド板５２の移動方向と直交する方向に延びる複数の帯状の電極で構成され、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、帯電膜５４の幅と同じかほぼ同じであることが好ましく、スライド板５２の片面における帯電膜５４の個数、対向電極５５の個数、および対向電極５６の個数も、同じであることが好ましい。
【００５８】
駆動部４０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４０は、電気機械変換器２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（Ｂ）および図１０（Ｃ）に示すように、スライド板５２を筐体５１内で水平方向（矢印Ａ方向）にスライド移動させる。
【００５９】
アクチュエータ５０を有する電気機械変換器３でも、帯電膜５４同士の間の領域５２１が正電位になって、そこでも対向電極１５，１６との間で静電気力が発生する。このため、電気機械変換器３では、帯電膜５４をスライド板５２の下面（固定基板５３との対向面）のみに形成したり、帯電膜５４をスライド板５２の上下面における矢印Ａ方向の同じ位置に形成したりしたアクチュエータを有する電気機械変換器の場合よりも、発生する駆動力が大きくなる。
【００６０】
なお、電気機械変換器３のアクチュエータ５０でも、スライド板５２に帯電膜５４用の複数の溝部を形成し、それらの溝部を満たすように帯電膜５４を形成して、帯電膜５４をスライド板５２の上下面を帯電膜５４およびそれらの溝部による凹凸がない平坦面にしてもよい。また、図７の発電部１０’と同様に、筐体５１の上面にも、スライド板５２の上面に対向するように対向電極５５，５６を配置して、それらの対向電極５５，５６も駆動部４０に電気的に接続してもよい。また、電気機械変換器３の駆動部４０を電気機械変換器１の蓄電部２０に代え、外部環境の運動エネルギーを用いてスライド板５２を矢印Ａ方向にスライド移動させることで、スライド板５２と対向電極５５，５６との間の静電誘導により静電気を発生させて動力から電力を取り出す発電装置を構成してもよい。
【符号の説明】
【００６１】
１，１’，２，３    電気機械変換器
１０，１０’，１０’’    発電部
１１，１１’    回転軸
１２，１２’    回転部材
１３，１７，５３    固定基板
１４，５４    帯電膜
１５，１６，５５，５６    対向電極
２０    蓄電部
３０，５０    アクチュエータ
４０    駆動部
５２    スライド板
【図１】
2018157663.tif 000003
【図２】
2018157663.tif 000004
【図３】
2018157663.tif 000005
【図４】
2018157663.tif 000006
【図５】
2018157663.tif 000007
【図６】
2018157663.tif 000008
【図７】
2018157663.tif 000009
【図８】
2018157663.tif 000010
【図９】
2018157663.tif 000011
【図１０】
2018157663.tif 000012
【図１１】
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