静電変換装置およびこの静電変換装置を搭載する容量検知機器
【課題】対向する電極間の接触による動作不良を防止し、動作信頼性の向上した静電変換装置およびこの静電変換装置を搭載する容量検知機器を提供する。
【解決手段】静電変換装置には、複数のエレクトレット電極５および平板状のエレクトレット電極６を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極５に対向する対向電極２ａおよびエレクトレット電極６に対向する対向電極２ｂを表面に有する固定基板１とが互いに所定間隔ｄを隔てて配置される。そして、エレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間において静電誘導を利用して発電を行う発電部８ｂと、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止する斥力発生部８ａとが構成される。対向電極２ａには所定電荷（たとえば、エレクトレット膜６ｂと同電荷）Ｑが印加され、可動基板４はエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力が発生する状態で移動するよう制御される。
【解決手段】静電変換装置には、複数のエレクトレット電極５および平板状のエレクトレット電極６を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極５に対向する対向電極２ａおよびエレクトレット電極６に対向する対向電極２ｂを表面に有する固定基板１とが互いに所定間隔ｄを隔てて配置される。そして、エレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間において静電誘導を利用して発電を行う発電部８ｂと、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止する斥力発生部８ａとが構成される。対向電極２ａには所定電荷（たとえば、エレクトレット膜６ｂと同電荷）Ｑが印加され、可動基板４はエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力が発生する状態で移動するよう制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電変換装置およびこの静電変換装置を搭載する容量検知機器に関し、特にエレクトレットを用いた静電誘導型の静電変換装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン引力に抗して振動子が振動することにより仕事をしたエネルギーを電気エネルギーに変換することによって、振動エネルギーにより発電を行う小型の静電誘導型発電装置（静電変換装置）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は特許文献１に開示された従来の静電誘導型発電装置の概略断面図である。従来の静電誘導型発電装置（エレクトレット発電装置）は、複数のエレクトレット材料領域４０９を備えた第２の基板４０５と、複数の導電性表面領域４１１を備えた第１の基板４０７とが互いに所定の間隔を隔てて配置されている。エレクトレット材料領域４０９を含む第２の基板４０５は固定され、導電性表面領域４１１を含む第１の基板４０７は固定構造４１７にバネ４１９を介して連結されている。バネ４１９は第１の基板４０７の両側面に接続されており、このバネ４１９により第１の基板４０７は所定の方向（矢印４２１で示される方向）の運動を行い、定位置に戻ることができる。この第１の基板４０７が所定の方向に振動することにより、電荷を保持しているエレクトレット材料領域４０９とこれに対向する導電性表面領域４１１との間で両者が重なる面積の増減が生じ、導電性表面領域４１１に電荷の変化が生じる。この電荷の変化を取り出すことにより発電が行える。
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような静電誘導型発電装置では、発電動作中に所定の方向に対して垂直な方向の外力（導電性表面領域４１１とエレクトレット材料領域４０９との間隔が狭くなる方向の外力）が加わり、導電性表面領域４１１がエレクトレット材料領域４０９に接触すると、少なくともその接触部分で運動エネルギーが損失され、発電効率が低下するという問題がある。さらに、導電性表面領域４１１がエレクトレット材料領域４０９に接触し、そのまま張り付いて元の状態に戻らなくなると、発電装置として機能しなくなってしまうという極めて重大な問題となる。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、対向する電極間の接触による動作不良を防止し、動作信頼性の向上した静電誘導装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る静電変換装置は、固定部とこの固定部と対向する可動部とを備え、可動部の移動により固定部との間で静電容量を変化させて電気エネルギーに変換する静電変換装置であって、固定部と可動部の一方に設けられた電荷を保持する第１の膜と、固定部と可動部の他方に第１の膜と対向して設けられた第１の電極と、第１の電極と第１の膜との間に斥力を発生させる斥力発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る容量検知機器は、上記の静電変換装置を搭載
することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、対向する電極間の接触による動作不良を防止し、動作信頼性の向上した静電変換装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の静電変換装置の一例である静電誘導型の発電装置について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図であり、図２は図１の発電装置における電極形状を示す概略上面図である。なお、図１は図２中のＸ−Ｘ線に沿った断面に相当する。
【００１１】
第１実施形態における発電装置には、図１に示すように、複数のエレクトレット電極５および平板状のエレクトレット電極６を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極５に対向する対向電極２ｂおよびエレクトレット電極６に対向する対向電極２ａを表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄを隔てて配置されている。そして、エレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間において静電誘導を利用して発電（振動エネルギーを電気エネルギーに変換）を行う発電部８ｂと、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止する斥力発生部８ａとが構成されている。この斥力発生部８ａは、発電動作中、対向電極２ａに所定の電荷Ｑを印加することにより、対向電極２ａとエレクトレット電極６との間に斥力を発生させており、発電装置の斥力発生手段として機能している。
【００１２】
エレクトレット電極５の形状は、図２に示すように、所定の方向（矢印Ｆで示される方向）に直交するように櫛状に細分化されて設けられ、可動基板４上においてその一端が共通配線で接続されている。このように細分化することで、小さな振動に対しても大きな面積変化を生じさせることができるので、所定の方向（矢印Ｆで示される方向）の振動に対する発電効率を向上させることができる。また、エレクトレット電極６の形状は平板状に加工されている。そして、図２に示すように、櫛状に細分化されたエレクトレット電極５の中央部分に、エレクトレット電極５とは電気的に絶縁された状態で配置されている。また、対向電極２ａおよび対向電極２ｂの形状はそれぞれエレクトレット電極５およびエレクトレット電極６の形状に対応して同じに加工されている。
【００１３】
エレクトレット電極５は、アルミニウム合金などの金属からなる固定電極５ａと、その表面に形成された電荷保持材料であるエレクトレット膜５ｂとによって構成されている。このエレクトレット膜としては、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル重合体）、ＰＰ（ポリプロピレン）、及びＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂材料、あるいはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの無機材料が採用される。ここで、エレクトレット膜５ｂにはコロナ放電などにより電荷注入がなされ、その表面電位はマイナス２００Ｖに達するように調整されている。エレクトレット電極５を構成する固定電極５ａは接地されている。エレクトレット電極６は、エレクトレット電極５と同様の構成であり、固定電極６ａと、その表面に形成されたエレクトレット膜６ｂとからなっている。エレクトレット膜６ｂの表面電位はエレクトレット膜５ｂと同じマイナス２００Ｖに達するように調整され、エレクトレット電極６を構成する固定電極６ａは接地されている。本実施形態では、エレクトレット電極５とエレクトレット電極６とは同一の工程で同時に形成されている。なお、エレクトレット膜５ｂおよびエレクトレット膜６ｂの表面電位はエレクトレット膜の材料やエレクトレット膜への電荷注入条件などにより容易に調整することが可能である。
【００１４】
可動基板４にはその表面（下面側）の所定の位置にエレクトレット電極５およびエレクトレット電極６が設けられている。可動基板４は固定基板１の周縁上に設けられた支持台３にバネ駆動体７を介して連結されている。すなわち、可動基板４にはバネ駆動体７が可動基板４の対向する両側面にそれぞれ接続され、可動基板４はバネ駆動体７により所定方向（矢印Ｆで示される方向）の水平方向の運動を行い、定位置に戻ることができるように構成されている。
【００１５】
対向電極２ｂは、固定電極５ａと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、エレクトレット電極５と対向するように固定基板１の表面（上面側）に形成されている。そして、対向電極２ｂは接地され、エレクトレット電極５との間において静電誘導を利用して発電（振動エネルギーを電気エネルギーに変換）を行う発電部８ｂが構成されている。この発電部８ｂでは、外部から振動が加わり可動基板４が移動することにより電荷を保持しているエレクトレット電極５とこれに対向する対向電極２ｂとの間で両者が重なる面積の増減が生じ、対向電極２ｂに電荷の変化が生じる。この電荷の変化を取り出すことにより発電される。また、この発電部８ｂでは、このようにして対向する電極間の相対移動の際に生じる静電誘導を利用して発電しているので、出力インピーダンスが非常に小さく、小さな形状でも高電圧（たとえば、２００Ｖ程度）を出すことができる。さらに、エレクトレット電極５を構成するエレクトレット膜５ｂへの初期電荷注入量を増加させることで、容易に出力電圧の高電圧化を図ることができる。
【００１６】
対向電極２ａは、固定電極６ａと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、エレクトレット電極６と対向するように固定基板１の表面（上面側）に形成されている。そして、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部８ａが構成されている。この斥力発生部８ａには、対向電極２ａに接続されるスイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、エレクトレット電極６を構成するエレクトレット膜６ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜６ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。本実施形態では、スイッチＳＷ１をオンにし、対向電極２ａに所定の電荷Ｑが印加された状態としている。このため、発電動作中に発電部８ｂのエレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間隔ｄが狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部８ａのエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板４のエレクトレット電極５が固定基板１の対向電極２ｂと接触することが防止される。
【００１７】
なお、対向電極２ａを有する固定基板１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極６を有する可動基板４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極６は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、対向電極２ａは本発明の「第１の電極」、エレクトレット電極５は本発明の「電荷を保持する第２の膜」、及び対向電極２ｂは本発明の「第２の電極」の一例である。
【００１８】
以上説明した本発明の第１実施形態に係る発電装置によれば、以下の効果を得ることができる。
【００１９】
（１）発電動作中に発電部８ｂのエレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間隔ｄが狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部８ａのエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）が作用する状態となっているので、エレクトレット電極５が対向電極２ｂと接触することを防止することができる。このため、発電装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００２０】
（２）発電部８ｂと斥力発生部８ａとを別々に設けたことで、斥力発生部８ａにおける斥力発生能力（発生させる斥力の強弱）に関する設計自由度が向上する。このため、発電部８ｂの電極の大きさやレイアウトに影響されることなく、発電装置の動作信頼性を安定して、且つ、効果的に向上させることができる。
【００２１】
（３）発電装置の製造過程においてエレクトレット電極５と対向電極２ｂとが接着することがあっても、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離して正常な状態に戻すことができる。これにより、発電装置の製造歩留まりが向上するので、発電装置の低コスト化を図ることができる。
【００２２】
（４）発電部８ｂ（エレクトレット電極５、対向電極２ｂ）の形成工程をそのまま利用し、新たな装置や工程を追加することなく斥力発生部８ａ（エレクトレット電極６、対向電極２ａ）を形成することができるので、動作信頼性を向上させることが可能な発電装置を、コスト増加を招くことなく製造することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図であり、図４は図３の発電装置における電極形状を示す概略上面図である。なお、図３は図４中のＸ−Ｘ線に沿った断面に相当する。第１実施形態と異なる箇所は、斥力発生部を発電部と共通化して設け、エレクトレット電極が対向電極に接触した場合に、対向電極に印加する電荷を切り替えて電極間に斥力（反発力）が発生するように構成したことである。それ以外については、先の第１実施形態と同様である。
【００２４】
第２実施形態における発電装置には、図３に示すように、複数のエレクトレット電極１５を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極１５に対向する対向電極１２を表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄ１を隔てて配置されている。エレクトレット電極１５は、第１実施形態と同様の構成であり、固定電極１５ａとその表面に形成されたエレクトレット膜１５ｂからなっている。エレクトレット電極１５と対向電極１２には、同一形状の電極が採用され、図４に示すように、所定の方向（矢印Ｆ１で示される方向）に直交するように櫛状に細分化されて設けられ、対応する各基板上においてその一端が共通配線で接続されている。そして、対向電極１２は、発電装置の正常動作時には接地され、エレクトレット電極１５が対向電極１２に接触した場合には、エレクトレット電極１５を構成するエレクトレット膜１５ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜１５ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。具体的には以下の通りである。まず、発電装置の正常動作時には、スイッチＳＷ１をオフ（開路状態）の状態でスイッチＳＷ２をオン（閉路状態）にすることにより、対向電極１２を接地状態としている。これに対し、エレクトレット電極１５と対向電極１２と接触した場合には、スイッチＳＷ２をオフ（開路状態）にし、スイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、対向電極１２に所定の電荷Ｑが印加された状態としている。そして、エレクトレット電極１５が対向電極１２から離れた場合には、各スイッチを正常動作時の状態に戻す。こうしたスイッチの切り替えは、エレクトレット電極１５と対向電極１２との接触時に生じる発電量の異常変動（正常値→異常値、あるいは異常値→正常値）を制御回路部（図示せず）で判定することにより制御している。
【００２５】
なお、対向電極１２を有する固定基板１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極１５を有する可動基板４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極１５は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、及び対向電極１２は本発明の「第１の電極」の一例である。
【００２６】
以上説明した本発明の第２実施形態に係る発電装置によれば、上記（３）および（４）と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００２７】
（５）可動基板４が移動して、可動基板４のエレクトレット電極１５が固定基板１の対向電極１２と接着した場合に、エレクトレット電極１５と対向電極１２との間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離すことができる。このため、発電動作中にエレクトレット電極１５と対向電極１２との間隔ｄ１が狭くなる方向の外力が加わる場合でも、こうした発電装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００２８】
（６）エレクトレット電極１５と対向電極１２からなる発電部をそのまま利用し、対向電極１２に対してエレクトレット電極１５との間に斥力が発生する電荷Ｑを印加して斥力発生部として機能するようにしたことで、こうした斥力発生部を別途設ける場合に比べて、発電装置の大型化を抑制することができる。
【００２９】
（７）エレクトレット電極１５と対向電極１２からなる発電部をそのまま利用し、対向電極１２に対してエレクトレット電極１５との間に斥力が発生する電荷Ｑを印加できるようにするだけの変更で、エレクトレット電極１５と対向電極１２との間での接着による動作不良を防止することができるようになる。このため、動作信頼性の向上した好適な発電装置を容易に製造することができる。
【００３０】
（第３実施形態）
本発明の静電変換装置の一例である静電誘導型のセンサ装置（加速度センサ装置）について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図である。
【００３１】
第３実施形態のセンサ装置には、平板状のエレクトレット電極２５および平板状のエレクトレット電極２６を表面に有する可動基板２４と、エレクトレット電極２５に対向する対向電極２２ｂおよびエレクトレット電極２６に対向する対向電極２２ａを表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄ２を隔てて配置されている。そして、エレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間において静電容量を変化させるための静電容量部２８ｂと、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間において静電容量部２８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部２８ａとが構成されている。
【００３２】
エレクトレット電極２５は、アルミニウム合金などの金属からなる固定電極２５ａと、その表面に形成された電荷保持材料であるエレクトレット膜２５ｂとによって構成されている。このエレクトレット膜としては、たとえば、第１実施形態と同様の材料が採用される。エレクトレット電極２５（固定電極２５ａおよびエレクトレット膜２５ｂ）は平板状に加工されている。固定電極２５ａは接地され、エレクトレット膜２５ｂにはコロナ放電などにより電荷注入がなされ、その表面電位はマイナス２００Ｖ程度に達するように調整されている。エレクトレット電極２６は、エレクトレット電極２５と同じ構成および同じ形状であり、平板状の固定電極２６ａと、その表面に形成されたエレクトレット膜２６ｂとからなっている。固定電極２６ａは接地され、エレクトレット膜２６ｂの表面電位はエレクトレット膜２５ｂと同じマイナス２００Ｖに達するように調整されている。本実施形態では、エレクトレット電極２５とエレクトレット電極２６とは同一の工程で同時に形成されている。
【００３３】
可動基板２４にはその表面（下面側）の所定の位置にエレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６が設けられている。可動基板２４は、固定基板２１上の支持台２３を介して一方の端側が固定され、固定基板２１に平行な状態で対向電極２２ｂの位置まで延在している。可動基板２４に外力（加速度）が加わると、可動基板２４のもう一方の端側が矢印Ｆ２で示される方向に移動する。
【００３４】
固定基板２１上には、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向する対向電極
２２ａと、静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５と対向する対向電極２２ｂとが形成されている。対向電極２２ａおよび対向電極２２ｂは、固定電極２５ａなどと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、それぞれ対向するエレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６と同じ大きさの平板状に加工されている。
【００３５】
エレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間には、対向電極２２ｂ接地され、静電容量を変化させるための静電容量部２８ｂが構成されている。そして、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間には、静電容量部２８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部２８ａが構成されている。この斥力発生部２８ａには、対向電極２２ａに接続されるスイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、エレクトレット電極２６を構成するエレクトレット膜２６ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜２６ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。本実施形態では、スイッチＳＷ１をオンにし、対向電極２２ａに所定の電荷Ｑが印加された状態としている。このため、センシング動作中に静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔ｄ２が狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板２４のエレクトレット電極２５が固定基板２１の対向電極２２ｂと接触することが防止される。
【００３６】
なお、対向電極２２ａおよび対向電極２２ｂを有する固定基板２１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６を有する可動基板２４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極２６は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、対向電極２２ａは本発明の「第１の電極」、エレクトレット電極２５は本発明の「電荷を保持する第２の膜」、及び対向電極２２ｂは本発明の「第２の対向電極」の一例である。
【００３７】
こうしたセンサ装置では、固定基板２１上の対向電極２２ｂと可動基板２４上のエレクトレット電極２５とによりその間にキャパシタが形成されている。センサ装置に外力（加速度）が加わると、可動基板２４が矢印Ｆ２で示される方向に移動し、この移動によるエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔の変化（間隔の増減）に起因して静電容量が変化する。そして、静電容量の変化に伴う２電極間の電圧の変化を電気的に読み取ることで、加わった加速度成分の大きさを得ることができる。
【００３８】
以上説明した本発明の第３実施形態に係るセンサ装置によれば、以下の効果を得ることができる。
【００３９】
（８）静電容量部２８ｂとは別に斥力発生部２８ａを設けたことで、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用する状態でセンシングすることができる。このため、動作中にエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔ｄ２が狭くなる方向の外力が加わっても、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板２４のエレクトレット電極２５が固定基板２１の対向電極２２ｂと接触することが防止される。この結果、センサ装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００４０】
（９）静電容量部２８ｂとは別に斥力発生部２８ａを設けたことで、斥力発生部２８ａにおける斥力発生能力（発生させる斥力の強弱）に関する設計自由度が向上する。このため、静電容量部２８ｂの電極の大きさやレイアウトに影響されることなく、センサ装置の動作信頼性を安定して、且つ、効果的に向上させることができる。
【００４１】
（１０）可動基板２４が移動して、静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５が対向電極２２ｂと接着した場合に、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離すことができる。このため、センサ装置の使用中に極端に大きな外力（大きな運動量の加速度）が加わる場合でも、こうしたセンサ装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００４２】
（１１）センサ装置の製造過程において静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５が対向電極２２ｂに接着することがあっても、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離して正常な状態に戻すことができる。これにより、センサ装置の製造歩留まりが向上するので、センサ装置の低コスト化を図ることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図であり、図７は同センサ装置の対向する電極が接触した状態を示す概略断面図である。第３実施形態と異なる箇所は、斥力発生部を静電容量部と共通化して設け、エレクトレット電極が対向電極に接触した場合に、対向電極に印加する電荷を切り替えて電極間に斥力（反発力）が発生するように構成したことである。それ以外については、先の第３実施形態と同様である。
【００４４】
第４実施形態におけるセンサ装置には、エレクトレット電極３５を表面に有する可動基板２４と、エレクトレット電極３５に対向する対向電極３２を表面に有する固定基板２１とが互いに所定の間隔ｄ３を隔てて配置されている。エレクトレット電極３５（固定電極３５ａおよびエレクトレット膜３５ｂ）と対向電極３２には同一の大きさの平板状の電極が採用されている。そして、対向電極３２は、センサ装置の正常動作時には接地され、図７に示すようなエレクトレット電極３５が対向電極３２に接触した場合には、エレクトレット電極３５を構成するエレクトレット膜３５ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜３５ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。具体的な電荷印加の制御方法は第２実施形態と同様である。
【００４５】
なお、対向電極３２を有する固定基板２１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極３５を有する可動基板２４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極３５は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、及び対向電極３２は本発明の「第１の電極」の一例である。
【００４６】
以上説明した本発明の第４実施形態に係るセンサ装置によれば、上記（１０）および（１１）と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００４７】
（１２）エレクトレット電極３５と対向電極３２からなる静電容量部をそのまま利用し、対向電極３２に対してエレクトレット電極３５との間に斥力が発生する所定の電荷Ｑを印加して斥力発生部として機能するようにしたことで、こうした斥力発生部を別途設ける場合に比べて、センサ装置の大型化を抑制することができる。
【００４８】
（１３）エレクトレット電極３５と対向電極３２からなる静電容量部をそのまま利用し、対向電極３２に対してエレクトレット電極３５との間に斥力が発生する所定の電荷Ｑを印加できるようにするだけの変更で、エレクトレット電極３５と対向電極３２との間での接着による動作不良を防止することができるようになる。このため、動作信頼性の向上した好適なセンサ装置を容易に製造することができる。
【００４９】
（第５実施形態）
本発明のセンサ装置が搭載された運動量検知機器（たとえば、盗難防止センサ装置や侵入防止センサ装置）について説明する。図８は本発明の第５実施形態に係るセンサ装置を備える運動量検知機器の構成を示す概略図である。
【００５０】
第５実施形態の運動量検知機器は、上述のセンサ装置が設けられたセンサ部１１０と、センサ部１１０を動作させるための発電部１２０と、発電部１２０で発電した電力を蓄える蓄電部１３０と、センサ部１１０への電力供給を切り替えるスイッチ１４０と、各部の
動作を制御する制御回路部１５０と、を備える。この運動量検知機器では、発電部１２０として、対向する電極間の相対移動に伴って発生するエネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う静電誘導型の発電デバイスを採用している。これにより、発電部１２０が外部から加わる振動により自己発電するため、センサ部１１０を動作させる電池などの電源を必要とせずに使用することができる。なお、センサ部１１０は本発明の「静電変換装置」および運動量検知機器は本発明の「容量検知機器」の一例である。
【００５１】
こうした運動量検知機器では、発電部１２０で自己発電した電力を蓄電部１３０に蓄え、この蓄電部１３０の電力を用いて制御回路部１５０を動作させ、そして制御回路部１５０の制御情報に基づいてスイッチ１４０を切り替えてセンサ部１１０を動作させる。センサ部１１０において電極間の接着による動作不良が生じた場合には、センサ部１１０から静電容量の異常値を反映させてスイッチ１４０を切り替え、蓄電部１３０に蓄えられた電力を用いてセンサ部１１０のエレクトレット膜と同電荷となるように電圧を印加し、センサ部１１０の電極間に斥力を発生させ、センサ部１１０を正常状態に復帰させている。
【００５２】
以上説明した本発明のセンサ装置を搭載した運動量検知機器によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５３】
（１４）センサ部１１０における対向する電極間の接着による動作不良が防止され、その動作信頼性が向上するので、こうしたセンサ部１１０を搭載する運動量検知機器の信頼性が向上する。
【００５４】
（１５）静電誘導型の発電部１２０を採用したことにより、運動量検知機器自体を振動させることでセンサ部１１０を動作させる電源（たとえば、電池）を必要とせずに運動量検知機器を使用することができ、さらにそうした運動量検知機器の動作信頼性を向上させることができる。
【００５５】
（１６）センサ部１１０の容量検出部と同じ静電誘導型の発電部１２０を採用したことにより、センサ部１１０の対向電極にエレクトレット膜と同程度の電荷（高電圧）を容易に供給できる。このため、昇圧回路を別途設ける必要がないので、運動量検知機器が大型化することを抑制することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００５７】
上記第１〜第４実施形態では、エレクトレット電極を可動基板に設け、対向電極を固定基板に設けた静電変換装置（発電装置およびセンサ装置）の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を固定基板に設け、対向電極を可動基板に設けてもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００５８】
上記第１および第３実施形態では、斥力発生部におけるエレクトレット電極および対向電極の形状を同じ大きさの平板状とした例を示したが、本発明はこれに限らない。互いに異なる大きさであってもよいし、形状も平板状に限らず所定のＬ／Ｓパターン（たとえば、一方向に櫛状に細分化され、その一端が共通接続されたパターン）に加工してもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００５９】
上記第１または第３実施形態では、斥力発生部における対向する電極間の隙間（間隔）と、発電部または静電容量部における対向する電極間の隙間（間隔）とを同じにした例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、斥力発生部と発電部または容量検出部における対向する電極間の隙間（間隔）をそれぞれで異なるようにしてもよい。この場合に
もそれぞれ同様に上記効果を享受することができる。
【００６０】
上記第１または第３実施形態では、斥力発生部を一箇所に設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、２箇所以上の複数の位置に配置するようにしてもよい。特に発電部または静電容量部の周囲の複数箇所に配置することで、斥力発生部にて斥力（反発力）を作用させて両者を引き離すことがより効果的にできるようになる。
【００６１】
上記第１および第３実施形態では、発電部または静電容量部のエレクトレット電極および斥力発生部のエレクトレット電極を可動基板に設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、発電部または静電容量部のエレクトレット電極を可動基板に設け、斥力発生部のエレクトレット電極を固定基板に設けてもよい。あるいはこの逆であってもよい。これらの場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６２】
上記第１および第３実施形態では、エレクトレット電極と対向電極とを組み合わせて斥力発生部を構成した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極に換えて永久磁石を採用してもよい。あるいは、２つの永久磁石を対向させて斥力発生部を構成してもよい。これらの場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６３】
上記第３実施形態では、斥力発生部のエレクトレット電極と静電容量部のエレクトレット電極とを互いに同じ大きさの平板状に加工した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、互いに異なる大きさであってもよいし、互いに異なる加工形状であってもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６４】
上記第３および第４実施形態では、可動基板の一方の端側を支持台上に固定した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、可動基板の両方の端を固定するようにしてもよい。また、可動基板の外周縁を固定し、コンデンサ型マイクロフォンにおけるダイアフラムのように構成してもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６５】
上記第３および第４実施形態では、エレクトレット電極と対向電極との間隔の変化に起因して静電容量を変化させるセンサ装置の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を対向電極との間で所定の間隔を保持しながら水平移動させ、この移動による面積（両者が重なる面積）の変化に起因して静電容量を変化させるセンサ装置であってもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６６】
上記運動量検知機器では、発電部として静電容量型の発電デバイスを採用した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、化学電池やこれと昇圧装置を組み合わせた電源部を採用してもよい。この場合、少なくとも上記（１４）の効果を享受することができる。また、発電部として第１または第２実施形態に係る発電装置を採用してもよい。この場合には、上記（１４）〜（１６）の効果に加え、発電装置における電極間の接触による動作不良が防止されるので、こうした発電装置を搭載した運動量検知機器の動作信頼性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図。
【図２】図１の発電装置における電極形状を示す概略上面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図。
【図４】図３の発電装置における電極形状を示す概略上面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図。
【図６】本発明の第４実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図。
【図７】図６のセンサ装置の対向する電極が接触した状態を示す概略断面図。
【図８】本発明のセンサ装置を搭載した運動量検知機器の構成を示す概略図。
【図９】従来の静電誘導型発電装置の構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１ 固定基板、２ａ 対向電極、２ｂ 対向電極、３ 支持台、４ 可動基板、５ エレクトレット電極、５ａ 固定電極、５ｂ エレクトレット膜、６ エレクトレット電極、６ａ 固定電極、６ｂ エレクトレット膜、７ バネ駆動体、８ａ 斥力発生部、８ｂ 発電部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電変換装置およびこの静電変換装置を搭載する容量検知機器に関し、特にエレクトレットを用いた静電誘導型の静電変換装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン引力に抗して振動子が振動することにより仕事をしたエネルギーを電気エネルギーに変換することによって、振動エネルギーにより発電を行う小型の静電誘導型発電装置（静電変換装置）が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９は特許文献１に開示された従来の静電誘導型発電装置の概略断面図である。従来の静電誘導型発電装置（エレクトレット発電装置）は、複数のエレクトレット材料領域４０９を備えた第２の基板４０５と、複数の導電性表面領域４１１を備えた第１の基板４０７とが互いに所定の間隔を隔てて配置されている。エレクトレット材料領域４０９を含む第２の基板４０５は固定され、導電性表面領域４１１を含む第１の基板４０７は固定構造４１７にバネ４１９を介して連結されている。バネ４１９は第１の基板４０７の両側面に接続されており、このバネ４１９により第１の基板４０７は所定の方向（矢印４２１で示される方向）の運動を行い、定位置に戻ることができる。この第１の基板４０７が所定の方向に振動することにより、電荷を保持しているエレクトレット材料領域４０９とこれに対向する導電性表面領域４１１との間で両者が重なる面積の増減が生じ、導電性表面領域４１１に電荷の変化が生じる。この電荷の変化を取り出すことにより発電が行える。
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような静電誘導型発電装置では、発電動作中に所定の方向に対して垂直な方向の外力（導電性表面領域４１１とエレクトレット材料領域４０９との間隔が狭くなる方向の外力）が加わり、導電性表面領域４１１がエレクトレット材料領域４０９に接触すると、少なくともその接触部分で運動エネルギーが損失され、発電効率が低下するという問題がある。さらに、導電性表面領域４１１がエレクトレット材料領域４０９に接触し、そのまま張り付いて元の状態に戻らなくなると、発電装置として機能しなくなってしまうという極めて重大な問題となる。
【０００５】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、対向する電極間の接触による動作不良を防止し、動作信頼性の向上した静電誘導装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る静電変換装置は、固定部とこの固定部と対向する可動部とを備え、可動部の移動により固定部との間で静電容量を変化させて電気エネルギーに変換する静電変換装置であって、固定部と可動部の一方に設けられた電荷を保持する第１の膜と、固定部と可動部の他方に第１の膜と対向して設けられた第１の電極と、第１の電極と第１の膜との間に斥力を発生させる斥力発生手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る容量検知機器は、上記の静電変換装置を搭載
することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、対向する電極間の接触による動作不良を防止し、動作信頼性の向上した静電変換装置およびこうした静電変換装置を搭載する容量検知機器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の静電変換装置の一例である静電誘導型の発電装置について説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図であり、図２は図１の発電装置における電極形状を示す概略上面図である。なお、図１は図２中のＸ−Ｘ線に沿った断面に相当する。
【００１１】
第１実施形態における発電装置には、図１に示すように、複数のエレクトレット電極５および平板状のエレクトレット電極６を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極５に対向する対向電極２ｂおよびエレクトレット電極６に対向する対向電極２ａを表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄを隔てて配置されている。そして、エレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間において静電誘導を利用して発電（振動エネルギーを電気エネルギーに変換）を行う発電部８ｂと、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止する斥力発生部８ａとが構成されている。この斥力発生部８ａは、発電動作中、対向電極２ａに所定の電荷Ｑを印加することにより、対向電極２ａとエレクトレット電極６との間に斥力を発生させており、発電装置の斥力発生手段として機能している。
【００１２】
エレクトレット電極５の形状は、図２に示すように、所定の方向（矢印Ｆで示される方向）に直交するように櫛状に細分化されて設けられ、可動基板４上においてその一端が共通配線で接続されている。このように細分化することで、小さな振動に対しても大きな面積変化を生じさせることができるので、所定の方向（矢印Ｆで示される方向）の振動に対する発電効率を向上させることができる。また、エレクトレット電極６の形状は平板状に加工されている。そして、図２に示すように、櫛状に細分化されたエレクトレット電極５の中央部分に、エレクトレット電極５とは電気的に絶縁された状態で配置されている。また、対向電極２ａおよび対向電極２ｂの形状はそれぞれエレクトレット電極５およびエレクトレット電極６の形状に対応して同じに加工されている。
【００１３】
エレクトレット電極５は、アルミニウム合金などの金属からなる固定電極５ａと、その表面に形成された電荷保持材料であるエレクトレット膜５ｂとによって構成されている。このエレクトレット膜としては、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル重合体）、ＰＰ（ポリプロピレン）、及びＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）などの樹脂材料、あるいはシリコン酸化膜やシリコン窒化膜などの無機材料が採用される。ここで、エレクトレット膜５ｂにはコロナ放電などにより電荷注入がなされ、その表面電位はマイナス２００Ｖに達するように調整されている。エレクトレット電極５を構成する固定電極５ａは接地されている。エレクトレット電極６は、エレクトレット電極５と同様の構成であり、固定電極６ａと、その表面に形成されたエレクトレット膜６ｂとからなっている。エレクトレット膜６ｂの表面電位はエレクトレット膜５ｂと同じマイナス２００Ｖに達するように調整され、エレクトレット電極６を構成する固定電極６ａは接地されている。本実施形態では、エレクトレット電極５とエレクトレット電極６とは同一の工程で同時に形成されている。なお、エレクトレット膜５ｂおよびエレクトレット膜６ｂの表面電位はエレクトレット膜の材料やエレクトレット膜への電荷注入条件などにより容易に調整することが可能である。
【００１４】
可動基板４にはその表面（下面側）の所定の位置にエレクトレット電極５およびエレクトレット電極６が設けられている。可動基板４は固定基板１の周縁上に設けられた支持台３にバネ駆動体７を介して連結されている。すなわち、可動基板４にはバネ駆動体７が可動基板４の対向する両側面にそれぞれ接続され、可動基板４はバネ駆動体７により所定方向（矢印Ｆで示される方向）の水平方向の運動を行い、定位置に戻ることができるように構成されている。
【００１５】
対向電極２ｂは、固定電極５ａと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、エレクトレット電極５と対向するように固定基板１の表面（上面側）に形成されている。そして、対向電極２ｂは接地され、エレクトレット電極５との間において静電誘導を利用して発電（振動エネルギーを電気エネルギーに変換）を行う発電部８ｂが構成されている。この発電部８ｂでは、外部から振動が加わり可動基板４が移動することにより電荷を保持しているエレクトレット電極５とこれに対向する対向電極２ｂとの間で両者が重なる面積の増減が生じ、対向電極２ｂに電荷の変化が生じる。この電荷の変化を取り出すことにより発電される。また、この発電部８ｂでは、このようにして対向する電極間の相対移動の際に生じる静電誘導を利用して発電しているので、出力インピーダンスが非常に小さく、小さな形状でも高電圧（たとえば、２００Ｖ程度）を出すことができる。さらに、エレクトレット電極５を構成するエレクトレット膜５ｂへの初期電荷注入量を増加させることで、容易に出力電圧の高電圧化を図ることができる。
【００１６】
対向電極２ａは、固定電極６ａと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、エレクトレット電極６と対向するように固定基板１の表面（上面側）に形成されている。そして、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間において発電部８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部８ａが構成されている。この斥力発生部８ａには、対向電極２ａに接続されるスイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、エレクトレット電極６を構成するエレクトレット膜６ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜６ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。本実施形態では、スイッチＳＷ１をオンにし、対向電極２ａに所定の電荷Ｑが印加された状態としている。このため、発電動作中に発電部８ｂのエレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間隔ｄが狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部８ａのエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板４のエレクトレット電極５が固定基板１の対向電極２ｂと接触することが防止される。
【００１７】
なお、対向電極２ａを有する固定基板１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極６を有する可動基板４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極６は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、対向電極２ａは本発明の「第１の電極」、エレクトレット電極５は本発明の「電荷を保持する第２の膜」、及び対向電極２ｂは本発明の「第２の電極」の一例である。
【００１８】
以上説明した本発明の第１実施形態に係る発電装置によれば、以下の効果を得ることができる。
【００１９】
（１）発電動作中に発電部８ｂのエレクトレット電極５と対向電極２ｂとの間隔ｄが狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部８ａのエレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）が作用する状態となっているので、エレクトレット電極５が対向電極２ｂと接触することを防止することができる。このため、発電装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００２０】
（２）発電部８ｂと斥力発生部８ａとを別々に設けたことで、斥力発生部８ａにおける斥力発生能力（発生させる斥力の強弱）に関する設計自由度が向上する。このため、発電部８ｂの電極の大きさやレイアウトに影響されることなく、発電装置の動作信頼性を安定して、且つ、効果的に向上させることができる。
【００２１】
（３）発電装置の製造過程においてエレクトレット電極５と対向電極２ｂとが接着することがあっても、エレクトレット電極６と対向電極２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離して正常な状態に戻すことができる。これにより、発電装置の製造歩留まりが向上するので、発電装置の低コスト化を図ることができる。
【００２２】
（４）発電部８ｂ（エレクトレット電極５、対向電極２ｂ）の形成工程をそのまま利用し、新たな装置や工程を追加することなく斥力発生部８ａ（エレクトレット電極６、対向電極２ａ）を形成することができるので、動作信頼性を向上させることが可能な発電装置を、コスト増加を招くことなく製造することができる。
【００２３】
（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図であり、図４は図３の発電装置における電極形状を示す概略上面図である。なお、図３は図４中のＸ−Ｘ線に沿った断面に相当する。第１実施形態と異なる箇所は、斥力発生部を発電部と共通化して設け、エレクトレット電極が対向電極に接触した場合に、対向電極に印加する電荷を切り替えて電極間に斥力（反発力）が発生するように構成したことである。それ以外については、先の第１実施形態と同様である。
【００２４】
第２実施形態における発電装置には、図３に示すように、複数のエレクトレット電極１５を表面に有する可動基板４と、エレクトレット電極１５に対向する対向電極１２を表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄ１を隔てて配置されている。エレクトレット電極１５は、第１実施形態と同様の構成であり、固定電極１５ａとその表面に形成されたエレクトレット膜１５ｂからなっている。エレクトレット電極１５と対向電極１２には、同一形状の電極が採用され、図４に示すように、所定の方向（矢印Ｆ１で示される方向）に直交するように櫛状に細分化されて設けられ、対応する各基板上においてその一端が共通配線で接続されている。そして、対向電極１２は、発電装置の正常動作時には接地され、エレクトレット電極１５が対向電極１２に接触した場合には、エレクトレット電極１５を構成するエレクトレット膜１５ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜１５ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。具体的には以下の通りである。まず、発電装置の正常動作時には、スイッチＳＷ１をオフ（開路状態）の状態でスイッチＳＷ２をオン（閉路状態）にすることにより、対向電極１２を接地状態としている。これに対し、エレクトレット電極１５と対向電極１２と接触した場合には、スイッチＳＷ２をオフ（開路状態）にし、スイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、対向電極１２に所定の電荷Ｑが印加された状態としている。そして、エレクトレット電極１５が対向電極１２から離れた場合には、各スイッチを正常動作時の状態に戻す。こうしたスイッチの切り替えは、エレクトレット電極１５と対向電極１２との接触時に生じる発電量の異常変動（正常値→異常値、あるいは異常値→正常値）を制御回路部（図示せず）で判定することにより制御している。
【００２５】
なお、対向電極１２を有する固定基板１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極１５を有する可動基板４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極１５は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、及び対向電極１２は本発明の「第１の電極」の一例である。
【００２６】
以上説明した本発明の第２実施形態に係る発電装置によれば、上記（３）および（４）と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００２７】
（５）可動基板４が移動して、可動基板４のエレクトレット電極１５が固定基板１の対向電極１２と接着した場合に、エレクトレット電極１５と対向電極１２との間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離すことができる。このため、発電動作中にエレクトレット電極１５と対向電極１２との間隔ｄ１が狭くなる方向の外力が加わる場合でも、こうした発電装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００２８】
（６）エレクトレット電極１５と対向電極１２からなる発電部をそのまま利用し、対向電極１２に対してエレクトレット電極１５との間に斥力が発生する電荷Ｑを印加して斥力発生部として機能するようにしたことで、こうした斥力発生部を別途設ける場合に比べて、発電装置の大型化を抑制することができる。
【００２９】
（７）エレクトレット電極１５と対向電極１２からなる発電部をそのまま利用し、対向電極１２に対してエレクトレット電極１５との間に斥力が発生する電荷Ｑを印加できるようにするだけの変更で、エレクトレット電極１５と対向電極１２との間での接着による動作不良を防止することができるようになる。このため、動作信頼性の向上した好適な発電装置を容易に製造することができる。
【００３０】
（第３実施形態）
本発明の静電変換装置の一例である静電誘導型のセンサ装置（加速度センサ装置）について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図である。
【００３１】
第３実施形態のセンサ装置には、平板状のエレクトレット電極２５および平板状のエレクトレット電極２６を表面に有する可動基板２４と、エレクトレット電極２５に対向する対向電極２２ｂおよびエレクトレット電極２６に対向する対向電極２２ａを表面に有する固定基板１とが互いに所定の間隔ｄ２を隔てて配置されている。そして、エレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間において静電容量を変化させるための静電容量部２８ｂと、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間において静電容量部２８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部２８ａとが構成されている。
【００３２】
エレクトレット電極２５は、アルミニウム合金などの金属からなる固定電極２５ａと、その表面に形成された電荷保持材料であるエレクトレット膜２５ｂとによって構成されている。このエレクトレット膜としては、たとえば、第１実施形態と同様の材料が採用される。エレクトレット電極２５（固定電極２５ａおよびエレクトレット膜２５ｂ）は平板状に加工されている。固定電極２５ａは接地され、エレクトレット膜２５ｂにはコロナ放電などにより電荷注入がなされ、その表面電位はマイナス２００Ｖ程度に達するように調整されている。エレクトレット電極２６は、エレクトレット電極２５と同じ構成および同じ形状であり、平板状の固定電極２６ａと、その表面に形成されたエレクトレット膜２６ｂとからなっている。固定電極２６ａは接地され、エレクトレット膜２６ｂの表面電位はエレクトレット膜２５ｂと同じマイナス２００Ｖに達するように調整されている。本実施形態では、エレクトレット電極２５とエレクトレット電極２６とは同一の工程で同時に形成されている。
【００３３】
可動基板２４にはその表面（下面側）の所定の位置にエレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６が設けられている。可動基板２４は、固定基板２１上の支持台２３を介して一方の端側が固定され、固定基板２１に平行な状態で対向電極２２ｂの位置まで延在している。可動基板２４に外力（加速度）が加わると、可動基板２４のもう一方の端側が矢印Ｆ２で示される方向に移動する。
【００３４】
固定基板２１上には、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向する対向電極
２２ａと、静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５と対向する対向電極２２ｂとが形成されている。対向電極２２ａおよび対向電極２２ｂは、固定電極２５ａなどと同じアルミニウム合金などの金属から構成され、それぞれ対向するエレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６と同じ大きさの平板状に加工されている。
【００３５】
エレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間には、対向電極２２ｂ接地され、静電容量を変化させるための静電容量部２８ｂが構成されている。そして、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間には、静電容量部２８ｂの電極間の接触を防止するための斥力発生部２８ａが構成されている。この斥力発生部２８ａには、対向電極２２ａに接続されるスイッチＳＷ１をオン（閉路状態）にすることにより、エレクトレット電極２６を構成するエレクトレット膜２６ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜２６ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。本実施形態では、スイッチＳＷ１をオンにし、対向電極２２ａに所定の電荷Ｑが印加された状態としている。このため、センシング動作中に静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔ｄ２が狭くなる方向の外力が加わっても、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板２４のエレクトレット電極２５が固定基板２１の対向電極２２ｂと接触することが防止される。
【００３６】
なお、対向電極２２ａおよび対向電極２２ｂを有する固定基板２１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極２５およびエレクトレット電極２６を有する可動基板２４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極２６は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、対向電極２２ａは本発明の「第１の電極」、エレクトレット電極２５は本発明の「電荷を保持する第２の膜」、及び対向電極２２ｂは本発明の「第２の対向電極」の一例である。
【００３７】
こうしたセンサ装置では、固定基板２１上の対向電極２２ｂと可動基板２４上のエレクトレット電極２５とによりその間にキャパシタが形成されている。センサ装置に外力（加速度）が加わると、可動基板２４が矢印Ｆ２で示される方向に移動し、この移動によるエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔の変化（間隔の増減）に起因して静電容量が変化する。そして、静電容量の変化に伴う２電極間の電圧の変化を電気的に読み取ることで、加わった加速度成分の大きさを得ることができる。
【００３８】
以上説明した本発明の第３実施形態に係るセンサ装置によれば、以下の効果を得ることができる。
【００３９】
（８）静電容量部２８ｂとは別に斥力発生部２８ａを設けたことで、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用する状態でセンシングすることができる。このため、動作中にエレクトレット電極２５と対向電極２２ｂとの間隔ｄ２が狭くなる方向の外力が加わっても、エレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）が作用しているので、可動基板２４のエレクトレット電極２５が固定基板２１の対向電極２２ｂと接触することが防止される。この結果、センサ装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００４０】
（９）静電容量部２８ｂとは別に斥力発生部２８ａを設けたことで、斥力発生部２８ａにおける斥力発生能力（発生させる斥力の強弱）に関する設計自由度が向上する。このため、静電容量部２８ｂの電極の大きさやレイアウトに影響されることなく、センサ装置の動作信頼性を安定して、且つ、効果的に向上させることができる。
【００４１】
（１０）可動基板２４が移動して、静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５が対向電極２２ｂと接着した場合に、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離すことができる。このため、センサ装置の使用中に極端に大きな外力（大きな運動量の加速度）が加わる場合でも、こうしたセンサ装置の動作信頼性を向上させることができる。
【００４２】
（１１）センサ装置の製造過程において静電容量部２８ｂのエレクトレット電極２５が対向電極２２ｂに接着することがあっても、斥力発生部２８ａのエレクトレット電極２６と対向電極２２ａとの間に斥力（反発力）を作用させることで、両者を引き離して正常な状態に戻すことができる。これにより、センサ装置の製造歩留まりが向上するので、センサ装置の低コスト化を図ることができる。
【００４３】
（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図であり、図７は同センサ装置の対向する電極が接触した状態を示す概略断面図である。第３実施形態と異なる箇所は、斥力発生部を静電容量部と共通化して設け、エレクトレット電極が対向電極に接触した場合に、対向電極に印加する電荷を切り替えて電極間に斥力（反発力）が発生するように構成したことである。それ以外については、先の第３実施形態と同様である。
【００４４】
第４実施形態におけるセンサ装置には、エレクトレット電極３５を表面に有する可動基板２４と、エレクトレット電極３５に対向する対向電極３２を表面に有する固定基板２１とが互いに所定の間隔ｄ３を隔てて配置されている。エレクトレット電極３５（固定電極３５ａおよびエレクトレット膜３５ｂ）と対向電極３２には同一の大きさの平板状の電極が採用されている。そして、対向電極３２は、センサ装置の正常動作時には接地され、図７に示すようなエレクトレット電極３５が対向電極３２に接触した場合には、エレクトレット電極３５を構成するエレクトレット膜３５ｂとの間に斥力が発生する所定の電荷（たとえば、エレクトレット膜３５ｂと同じ電荷）Ｑが印加される。具体的な電荷印加の制御方法は第２実施形態と同様である。
【００４５】
なお、対向電極３２を有する固定基板２１は本発明の「固定部」、エレクトレット電極３５を有する可動基板２４は本発明の「可動部」、エレクトレット電極３５は本発明の「電荷を保持する第１の膜」、及び対向電極３２は本発明の「第１の電極」の一例である。
【００４６】
以上説明した本発明の第４実施形態に係るセンサ装置によれば、上記（１０）および（１１）と同様の効果に加え、以下の効果を得ることができる。
【００４７】
（１２）エレクトレット電極３５と対向電極３２からなる静電容量部をそのまま利用し、対向電極３２に対してエレクトレット電極３５との間に斥力が発生する所定の電荷Ｑを印加して斥力発生部として機能するようにしたことで、こうした斥力発生部を別途設ける場合に比べて、センサ装置の大型化を抑制することができる。
【００４８】
（１３）エレクトレット電極３５と対向電極３２からなる静電容量部をそのまま利用し、対向電極３２に対してエレクトレット電極３５との間に斥力が発生する所定の電荷Ｑを印加できるようにするだけの変更で、エレクトレット電極３５と対向電極３２との間での接着による動作不良を防止することができるようになる。このため、動作信頼性の向上した好適なセンサ装置を容易に製造することができる。
【００４９】
（第５実施形態）
本発明のセンサ装置が搭載された運動量検知機器（たとえば、盗難防止センサ装置や侵入防止センサ装置）について説明する。図８は本発明の第５実施形態に係るセンサ装置を備える運動量検知機器の構成を示す概略図である。
【００５０】
第５実施形態の運動量検知機器は、上述のセンサ装置が設けられたセンサ部１１０と、センサ部１１０を動作させるための発電部１２０と、発電部１２０で発電した電力を蓄える蓄電部１３０と、センサ部１１０への電力供給を切り替えるスイッチ１４０と、各部の
動作を制御する制御回路部１５０と、を備える。この運動量検知機器では、発電部１２０として、対向する電極間の相対移動に伴って発生するエネルギーを電気エネルギーに変換して発電を行う静電誘導型の発電デバイスを採用している。これにより、発電部１２０が外部から加わる振動により自己発電するため、センサ部１１０を動作させる電池などの電源を必要とせずに使用することができる。なお、センサ部１１０は本発明の「静電変換装置」および運動量検知機器は本発明の「容量検知機器」の一例である。
【００５１】
こうした運動量検知機器では、発電部１２０で自己発電した電力を蓄電部１３０に蓄え、この蓄電部１３０の電力を用いて制御回路部１５０を動作させ、そして制御回路部１５０の制御情報に基づいてスイッチ１４０を切り替えてセンサ部１１０を動作させる。センサ部１１０において電極間の接着による動作不良が生じた場合には、センサ部１１０から静電容量の異常値を反映させてスイッチ１４０を切り替え、蓄電部１３０に蓄えられた電力を用いてセンサ部１１０のエレクトレット膜と同電荷となるように電圧を印加し、センサ部１１０の電極間に斥力を発生させ、センサ部１１０を正常状態に復帰させている。
【００５２】
以上説明した本発明のセンサ装置を搭載した運動量検知機器によれば、以下の効果を得ることができる。
【００５３】
（１４）センサ部１１０における対向する電極間の接着による動作不良が防止され、その動作信頼性が向上するので、こうしたセンサ部１１０を搭載する運動量検知機器の信頼性が向上する。
【００５４】
（１５）静電誘導型の発電部１２０を採用したことにより、運動量検知機器自体を振動させることでセンサ部１１０を動作させる電源（たとえば、電池）を必要とせずに運動量検知機器を使用することができ、さらにそうした運動量検知機器の動作信頼性を向上させることができる。
【００５５】
（１６）センサ部１１０の容量検出部と同じ静電誘導型の発電部１２０を採用したことにより、センサ部１１０の対向電極にエレクトレット膜と同程度の電荷（高電圧）を容易に供給できる。このため、昇圧回路を別途設ける必要がないので、運動量検知機器が大型化することを抑制することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００５７】
上記第１〜第４実施形態では、エレクトレット電極を可動基板に設け、対向電極を固定基板に設けた静電変換装置（発電装置およびセンサ装置）の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を固定基板に設け、対向電極を可動基板に設けてもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００５８】
上記第１および第３実施形態では、斥力発生部におけるエレクトレット電極および対向電極の形状を同じ大きさの平板状とした例を示したが、本発明はこれに限らない。互いに異なる大きさであってもよいし、形状も平板状に限らず所定のＬ／Ｓパターン（たとえば、一方向に櫛状に細分化され、その一端が共通接続されたパターン）に加工してもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００５９】
上記第１または第３実施形態では、斥力発生部における対向する電極間の隙間（間隔）と、発電部または静電容量部における対向する電極間の隙間（間隔）とを同じにした例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、斥力発生部と発電部または容量検出部における対向する電極間の隙間（間隔）をそれぞれで異なるようにしてもよい。この場合に
もそれぞれ同様に上記効果を享受することができる。
【００６０】
上記第１または第３実施形態では、斥力発生部を一箇所に設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、２箇所以上の複数の位置に配置するようにしてもよい。特に発電部または静電容量部の周囲の複数箇所に配置することで、斥力発生部にて斥力（反発力）を作用させて両者を引き離すことがより効果的にできるようになる。
【００６１】
上記第１および第３実施形態では、発電部または静電容量部のエレクトレット電極および斥力発生部のエレクトレット電極を可動基板に設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、発電部または静電容量部のエレクトレット電極を可動基板に設け、斥力発生部のエレクトレット電極を固定基板に設けてもよい。あるいはこの逆であってもよい。これらの場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６２】
上記第１および第３実施形態では、エレクトレット電極と対向電極とを組み合わせて斥力発生部を構成した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極に換えて永久磁石を採用してもよい。あるいは、２つの永久磁石を対向させて斥力発生部を構成してもよい。これらの場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６３】
上記第３実施形態では、斥力発生部のエレクトレット電極と静電容量部のエレクトレット電極とを互いに同じ大きさの平板状に加工した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、互いに異なる大きさであってもよいし、互いに異なる加工形状であってもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６４】
上記第３および第４実施形態では、可動基板の一方の端側を支持台上に固定した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、可動基板の両方の端を固定するようにしてもよい。また、可動基板の外周縁を固定し、コンデンサ型マイクロフォンにおけるダイアフラムのように構成してもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６５】
上記第３および第４実施形態では、エレクトレット電極と対向電極との間隔の変化に起因して静電容量を変化させるセンサ装置の例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、エレクトレット電極を対向電極との間で所定の間隔を保持しながら水平移動させ、この移動による面積（両者が重なる面積）の変化に起因して静電容量を変化させるセンサ装置であってもよい。この場合にも同様に上記効果を享受することができる。
【００６６】
上記運動量検知機器では、発電部として静電容量型の発電デバイスを採用した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、化学電池やこれと昇圧装置を組み合わせた電源部を採用してもよい。この場合、少なくとも上記（１４）の効果を享受することができる。また、発電部として第１または第２実施形態に係る発電装置を採用してもよい。この場合には、上記（１４）〜（１６）の効果に加え、発電装置における電極間の接触による動作不良が防止されるので、こうした発電装置を搭載した運動量検知機器の動作信頼性がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図。
【図２】図１の発電装置における電極形状を示す概略上面図。
【図３】本発明の第２実施形態に係る発電装置の構成を示す概略断面図。
【図４】図３の発電装置における電極形状を示す概略上面図。
【図５】本発明の第３実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図。
【図６】本発明の第４実施形態に係るセンサ装置の構成を示す概略断面図。
【図７】図６のセンサ装置の対向する電極が接触した状態を示す概略断面図。
【図８】本発明のセンサ装置を搭載した運動量検知機器の構成を示す概略図。
【図９】従来の静電誘導型発電装置の構成を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００６８】
１ 固定基板、２ａ 対向電極、２ｂ 対向電極、３ 支持台、４ 可動基板、５ エレクトレット電極、５ａ 固定電極、５ｂ エレクトレット膜、６ エレクトレット電極、６ａ 固定電極、６ｂ エレクトレット膜、７ バネ駆動体、８ａ 斥力発生部、８ｂ 発電部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部とこの固定部と対向する可動部とを備え、前記可動部の移動により前記固定部との間で静電容量を変化させて電気エネルギーに変換する静電変換装置であって、
前記固定部と前記可動部の一方に設けられた電荷を保持する第１の膜と、前記固定部と前記可動部の他方に前記第１の膜と対向して設けられた第１の電極と、
前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させる斥力発生手段と、を備えたことを特徴とする静電変換装置。
【請求項２】
前記斥力発生手段は、前記第１の電極に電荷を印加することにより、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とした請求項１に記載の静電変換装置。
【請求項３】
前記固定部と前記可動部の一方に設けられ、前記第１の膜とは異なる、電荷を保持する第２の膜と、前記固定部と前記可動部の他方に前記第２の膜と対向して設けられた第２の電極をさらに備えることを特徴とした請求項１または２に記載の静電変換装置。
【請求項４】
前記斥力発生手段は、前記第２の膜と前記第２の電極とが接触したときに、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とする請求項３に記載の静電変換装置。
【請求項５】
前記第１の電極には、前記第１の膜との間でキャパシタを構成するための第１の電荷が印加され、
前記斥力発生手段は、前記可動部が前記固定部に接触したときに、前記第１の電極に前記第１の膜との間に斥力を生じさせる第２の電荷を印加して、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とした請求項１に記載の静電変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電変換装置を搭載する容量検知機器。
【請求項１】
固定部とこの固定部と対向する可動部とを備え、前記可動部の移動により前記固定部との間で静電容量を変化させて電気エネルギーに変換する静電変換装置であって、
前記固定部と前記可動部の一方に設けられた電荷を保持する第１の膜と、前記固定部と前記可動部の他方に前記第１の膜と対向して設けられた第１の電極と、
前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させる斥力発生手段と、を備えたことを特徴とする静電変換装置。
【請求項２】
前記斥力発生手段は、前記第１の電極に電荷を印加することにより、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とした請求項１に記載の静電変換装置。
【請求項３】
前記固定部と前記可動部の一方に設けられ、前記第１の膜とは異なる、電荷を保持する第２の膜と、前記固定部と前記可動部の他方に前記第２の膜と対向して設けられた第２の電極をさらに備えることを特徴とした請求項１または２に記載の静電変換装置。
【請求項４】
前記斥力発生手段は、前記第２の膜と前記第２の電極とが接触したときに、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とする請求項３に記載の静電変換装置。
【請求項５】
前記第１の電極には、前記第１の膜との間でキャパシタを構成するための第１の電荷が印加され、
前記斥力発生手段は、前記可動部が前記固定部に接触したときに、前記第１の電極に前記第１の膜との間に斥力を生じさせる第２の電荷を印加して、前記第１の電極と前記第１の膜との間に斥力を発生させることを特徴とした請求項１に記載の静電変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電変換装置を搭載する容量検知機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−２７８６０７（Ｐ２００８−２７８６０７Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１７９７６（Ｐ２００７−１１７９７６）
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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