(57)【要約】【課題】より多くの電荷を保持したエレクトレットを有するエレクトレット電極を提供する。さらに本発明に係るエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器を提供する。【解決手段】基板と、前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の短冊状の第１の導電膜と、前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の短冊状の第２の導電膜と、前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第１のエレクトレットと、前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第２のエレクトレットと、を含み、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、前記第１のエレクトレットの表面電位が、前記第２のエレクトレットの表面電位より高いエレクトレット電極である。【選択図】図１
2014075951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の短冊状の第１の導電膜と、
前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の短冊状の第２の導電膜と、
前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第１のエレクトレットと、
前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第２のエレクトレットと、
を含み、
前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、
前記第１のエレクトレットの表面電位が、前記第２のエレクトレットの表面電位より高いエレクトレット電極。
【請求項２】
前記第１のエレクトレットが、積層した複数の材料により形成されている請求項１に記載のエレクトレット電極。
【請求項３】
前記第２の導電膜上に形成された前記第２のエレクトレットは、中央部の厚さが端部の厚さより薄い請求項１または２に記載のエレクトレット電極。
【請求項４】
前記第２の導電膜上に形成された前記第２のエレクトレットが、中央部と端部との間に、前記第２の導電膜まで貫通する開口を有する請求項１または２に記載のエレクトレット電極。
【請求項５】
前記第１のエレクトレットは少なくとも第２の絶縁膜と第３の絶縁膜とを含み、且つ前記第２の絶縁膜を前記第３の絶縁膜の上下に配置して形成され、
前記第２の絶縁膜は前記第２のエレクトレットと同じ種類の材料より成る請求項１〜４のいずれか１項に記載のエレクトレット電極。
【請求項６】
前記第１のエレクトレットは少なくとも第２の絶縁膜と第３の絶縁膜とを含み、且つ前記第２の絶縁膜により第３の絶縁膜を完全に覆うことにより形成され、
前記第２の絶縁膜は前記第２のエレクトレットと同じ種類の材料より成る請求項１〜５のいずれか１項に記載のエレクトレット電極
【請求項７】
前記第２のエレクトレットは、同じ種類の材料から成る層を複数積層して形成されている請求項１〜６の何れか１項に記載のエレクトレット電極。
【請求項８】
前記第１のエレクトレットの上面が、前記第２のエレクトレットの上面より高い位置に位置する請求項１〜７の何れか１項に記載のエレクトレット電極。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のエレクトレット電極を用いた振動発電器。
【請求項１０】
請求項９に記載の振動発電器と、
前記振動発電器からの交流出力電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から出力された直流電圧を所定の電圧レベルに変換する電圧変換回路と、
前記振動発電器からの出力が不要な場合に、前記振動発電器により発電された電力を蓄える蓄電回路と、
前記電圧変換回路または前記蓄電回路からの出力電圧を、所定の電圧に制御する電圧制御回路と、
前記電圧変換回路からの出力が送られる回路を、蓄電回路および電圧制御回路のいずれか一方から他方に切り替える出力切替回路と、
を備えた振動発電装置。
【請求項１１】
前記電圧変換回路からの出力電圧が、前記電圧制御回路からの出力電圧よりも高く設定されている、請求項１０に記載の振動発電装置。
【請求項１２】
前記電圧変換回路からの出力電圧が、前記電圧制御回路からの出力電圧よりも高く設定されている、請求項１０または１１に記載の振動発電装置。
【請求項１３】
請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の振動発電装置を含む、通信装置。
【請求項１４】
さらに電池を含む、請求項１３に記載の通信装置。
【請求項１５】
基板上に第１の絶縁膜を形成する工程と、
前記第１の絶縁膜上に、短冊状の第１の導電膜と短冊状の第２の導電膜が交互に配置されるように形成する工程と、
前記第１の導電膜上に第１のエレクトレット用材料を形成する工程と、
前記第２の導電膜上に第２のエレクトレット用材料を形成する工程と、
前記第１のエレクトレット用材料および前記第２のエレクトレット用材料を同時に帯電させて第１のエレクトレットを第２のエレクトレットを形成する工程と、
前記第２のエレクトレットに帯電した電荷の一部を除去すると、
を含むことを特徴とするエレクトレット電極の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレット電極と、エレクトレット電極を用いた振動発電器および振動発電装置と、当該振動発電装置を搭載した電気機器及び当該振動発電装置を搭載した通信装置とに関する。本発明は、またエレクトレット電極の製造方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
可変容量の対向する電極の一方に電荷を与え、他方の電極に静電誘導により電荷を誘起し、容量を変化させて誘起される電荷に変化を生じさせ、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出す静電誘導型振動発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
図１９は、特許文献１に記載された静電誘導型振動発電器、より詳細にはエレクトレットを用いた振動発電器１０の概略断面図である。
振動発電器１０は、複数の導電性表面領域（導電膜）１３を備えた第１の基板１１と、複数のエレクトレット材料領域（エレクトレット）１５を備えた第２の基板１６とで構成される。第１の基板１１と、第２の基板１６は、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１５を含む第２の基板１６は固定されている。導電性表面領域１３を含む第１の基板１１の両端部は、それぞれ、固定構造１７にバネ１９を介して連結されている。第１の基板１１は外力を受けると矢印１８で示すようにＸ軸方向に平衡に往復運動を行い、外力が作用しなくなるとバネ１９の復元力により定位置に戻ることができる。第１の基板１１のこの動きにより、エレクトレット材料領域１５と、対向する導電性表面領域１３との重なり面積の増減が生じ、導電性表面領域１３に電荷の変化が生じる。静電誘導型発電器１０は、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。
【０００３】
しかし、図１９のようなエレクトレット材料領域１５の構成では、エレクトレットの表面電荷による電界が対向する導電性領域１３に向かう方向だけでなく横方向（図１９のＸ軸に平行な方向）にも広がってしまう。このため、エレクトレット材料領域１５と導電性領域１３との重なり面積が小さいときでも導電性領域１３は、この横方向に広がった電界の影響を受けてしまい、重なり面積の変化の割に電荷の変化が少なく、従って発電量が少ないという問題があった。
【０００４】
エレクトレット表面から横方向への電界の広がりを抑制できるエレクトレット電極が知られている。図１８は、エレクトレット表面から横方向への電界の広がりを抑制できる従来のエレクトレット電極の例であるエレクトレット電極２５を示す概略断面図である。エレクトレット電極２５では、第１の基板３１上に形成された第１の絶縁膜３６が形成されており、第１の絶縁膜３６の上には、第１の導電膜３２と第２の導電膜３４とが交互に配置されており、第１の導電膜３２それぞれの上にはエレクトレット３３が形成されている。
すなわち、第１の導電膜３２の上に配置されたエレクトレット３３の周囲（図１８の例では左右の少なくとも一方）には、第２の導電膜３４が配置されており、これによりエレクトレット３３の表面から電界が横方向に広がるのを抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、同じ大きさでより多くの電力を発電できる振動発電器に対するニーズは、益々大きくなっている、
そこで、本発明の目的の１つは、より多くの電荷を保持したエレクトレットを有するエレクトレット電極を提供することにある。さらに本発明の別の目的の１つは、本発明に係るエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
基板と、前記基板の１つの主面に並列して配置された複数の短冊状の第１の導電膜と、前記基板の前記１つの主面上でかつ前記複数の第１の導電膜が形成されていない領域に形成された複数の短冊状の第２の導電膜と、前記複数の第１の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第１のエレクトレットと、前記複数の第２の導電膜のそれぞれの上に１つずつ形成されている複数の第２のエレクトレットと、含み、前記第１の導電膜と前記第２の導電膜が交互に配置され、前記第１のエレクトレットの表面電位が、前記第２のエレクトレットの表面電位より高いエレクトレット電極である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、より多くの電荷を保持したエレクトレットを有するエレクトレット電極を提供することが可能となる。また、本発明に係るエレクトレット電極を用いることにより、従来よりも高いエネルギー変換効率を有する静電誘導型振動発電器および振動発電装置、ならびに振動発電装置を搭載した通信装置を提供できる。さらに、より多くの電荷を保持したエレクトレット電極の製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るエレクトレット電極１００の断面図であり、図１（ｂ）は、エレクトレット電極１００の平面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るエレクトレット電極の表面電位と従来構造に係るエレクトレット電極の表面電位の評価結果である。
【図３】図３（ａ）は、図２に結果を示す表面電位の評価実験に用いた実施の形態１の発明に係るエレクトレット電極１４０の概略断面図であり、図３（ｂ）はエレクトレット電極１４０の概略平面図である。
【図４】図４は、エレクトレット電極１６０の概略断面図である。
【図５】図５は、エレクトレット電極１７０の概略断面図である。
【図６】図６は、コロナ放電による着電方法を示す模式図である。
【図７】図７は、基板上に第１の絶縁膜を形成しないエレクトレット電極１１０の概略断面図である。
【図８】図８は、第１の基板の上に第１の導電膜および第２の導電膜が形成されていないエレクトレット電極１２０を示す模式断面図である。
【図９】図９（ａ）は、第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３の幅が大きいエレクトレット電極１３０の概略断面図であり、図９（ｂ）は第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３Ａの幅が小さいエレクトレット電極１３０Ａの概略断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施の形態２に係るエレクトレット電極２００の断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施の形態３に係るエレクトレット電極３００の断面図である。
【図１２】図１２（ａ）は、エレクトレット電極３００の図１１の点線で囲んだ部分の上面図であり、図１２（ｂ）は、エレクトレット電極３００の図１１の点線で囲んだ部分の別の実施形態を示す上面図である。
【図１３】図１３は、本発明の実施の形態４に係る振動発電器４１３の概略断面図である。
【図１４】図１４は、振動発電装置５００のブロック図である。
【図１５】図１５は振動発電装置５００の各回路から出力される電圧波形を示しており、図１５（a）は振動発電器５０１の出力電圧を示し、図１５（ｂ）は整流回路５０２により変換された直流電圧ＶＤＣ１を示し、図１５（ｃ）は、振動発電装置５００の出力電圧ＶＤＣ２を示す。
【図１６】図１６は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムにおいて使用される通信装置のブロック図である。
【図１７】図１７は、エレクトレットに電荷を注入する方法として一般的な、コロナ放電による電荷注入方法を示す模式図である。
【図１８】図１８は、エレクトレット表面からの電界の横方向への広がりを抑制できる従来のエレクトレット電極の例であるエレクトレット電極２５を示す概略断面図である。
【図１９】図１９は、特許文献１に記載された静電誘導型振動発電器、より詳細にはエレクトレットを用いた振動発電器１０の概略断面図である。
【図２０】図２０（a）は、第２の導電膜１４４上において、第２の絶縁膜１４５が同じ種類の材料を積層して構成されたエレクトレット電極１４０Ａを示す概略断面図であり、図２０（ｂ）は、第２の導電膜１４４上において、第２の絶縁膜１４５が同じ種類の材料を積層して構成された別の実施形態に係るエレクトレット電極１６０Ａを示す概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いるが、それらの用語の使用は図面を参照した発明の理解を容易にするためであって、それらの用語の意味によって本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は同一の部分又は部材を示す。
【００１１】
（本願発明に至った経緯）
本願発明に至った経緯について説明する。
静電誘導型振動発電器の最大出力電力Ｐmaxは、下記（１）式で表される。（１）式中、σは表面電荷（密度）、εElectretはエレクトレット材料の誘電率、εairは空気の誘電率、ε０は真空の誘電率、Ａはエレクトレット材料領域（エレクトレット）と導電性表面領域（導電膜）の重なり面積、ｇは電極間のギャップ（すなわち、エレクトレットとエレクトレットに対向して配置された導電膜との間の距離）、ｆは振動周波数、ｄはエレクトレット材料の膜厚、ｎは重なり面積の数を示している。
なお、本明細書において「エレクトレット」は、電荷を保持した材料のことを示す。
【数１】
2014075951.tif 000003
【００１２】
（１）式によれば、発電量（最大出力電力Ｐmax）を増加させるためには、i）エレクトレットを振動方向に対して微細化する（すなわち、振動方向に対するエレクトレットの長さを短くし、エレクトレットおよび対向する導電膜の数を増やす）ことにより、同じ基板の変位量で、エレクトレットと対向する導電膜の重なり面積の増減回数を増加させること、および  ii）エレクトレットの表面電荷量（密度）を多くすること、すなわち、エレクトレットの表面電位を高くすることが有効である。
【００１３】
図１７は、エレクトレットに電荷を注入する方法として一般的な、コロナ放電による電荷注入方法を示す模式図である。図１７に示す電荷注入方法では、電極２０を用い、第１の直流高圧電源２３により電極２０とステージ２２との間に例えば１０Ｋｖ程度の高電圧を印加し、電極２０から電子を所定時間放電させてステージ２２の上に配置されたエレクトレット電極２５のエレクトレット３３（図１８参照）に電荷を注入する。これにより、エレクトレット３３の表面電位が上昇する。このとき、電極２０とエレクトレット電極２５の間には、第２の直流高圧電源２４に接続され、例えば１Ｋｖ程度の電圧が印加されているグリッド電極２１が配置されている。
【００１４】
エレクトレット電極２５は、従来のエレクトレット電極であり、例えば図１８に示し上述した構成を有している。
なお、本明細書で用いる用語「エレクトレット電極」は、少なくとも、基板と、当該基板の１つの主面にパタ−ニングされたエレクトレットとを有する電極を意味する。
【００１５】
コロナ放電により電荷が生成され、エレクトレット３３に電荷が注入されるが、エレクトレット３３に注入された電荷が増加するに従い、コロナ放電により生成された電荷との間で静電反発力が発生し、エレクトレットの帯電量（電荷量）は制限されるという課題を有している。
この傾向は、エレクトレット３３を微細化（幅を狭く）ししていくとより顕著となる。これは、コロナ放電による電荷とエレクトレット３３に注入された電荷との間で静電反発力が発生することにより、コロナ放電により放出された電荷（電子）は、エレクトレット３３の周囲に配置された第２の導電膜３４または第１の絶縁膜３６等へ流れやすくなるためである。第１の導電膜３２および第２の導電膜３４は通常ＧＮＤ接地されており、また、第１の基板３１は、ＧＮＤ接地されたステージ２２上に配置されるため、静電反発力を受けた電荷はエレクトレット３３以外へ流れ易くなる。この静電反発力による電荷の流出は、エレクトレットの端部でより生じやすい。このため、エレクトレット３３を微細化し、エレクトレット３３に占める端部の比率が高くなるほど、エレクトレットに保持される電荷量が制限される傾向はより顕著になる。
【００１６】
以上から、上記i)に従い、エレクトレットを微細化すると、注入されるエレクトレット電荷量が減少（エレクトレットの表面電位が低下）し、上記ii)の効果を十分に得ることができず、従って従来のエレクトレット２５を用いた振動発電器は、エネルギー変換効率の限界から出力電力が低いという課題を有している。
本発明は、上記課題に鑑み、エレクトレットの表面電位を高くできる構成を見出し、多くの電荷を保持したエレクトレット電極を提供することにある。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
【００１７】
１．実施の形態１
１−１．エレクトレット電極
図１（ａ）は、本発明の実施の形態１に係るエレクトレット電極１００の断面図であり、図１（ｂ）は、エレクトレット電極１００の平面図である。
【００１８】
図１（ａ）に示すエレクトレット電極１００は、第１の基板１０１と、第１の基板１０１の上面全体を覆うように形成された第１の絶縁膜１０６と、第１の絶縁膜１０６上に互いに間隔を空けて形成された複数の第１の導電膜（第１の電極）１０２と、それぞれの第１の導電膜１０２上に形成されたエレクトレット１０３、及び第１の絶縁膜１０６上に形成された第２の導電膜（第２の電極）１０４と、第２の導電膜１０４上に形成された第２の絶縁膜１０５で構成される。
【００１９】
第１の導電膜（第１の電極）１０２は基板１０１に垂直な方向から平面視した形状が短冊状で、第１の基板１０１上において、複数の第１の導電膜１０２が並列して（または整列して）配置されている。第１の絶縁膜１０６上において、第１の導電膜１０２の間で、第１の電極が形成されていない領域に、基板１０１に垂直な方向から平面視した形状が短冊状の第２の導電膜（第２の電極）１０４が並列して（または整列して）形成されている。第１の導電膜１０２の上に形成されたエレクトレット１０３も、図１（ｂ）から判るように短冊状の平面視した形状を有している。同様に、第２の導電膜１０４の上に形成された第２の絶縁膜１０５も短冊状の平面視した形状を有している。
第１の導電膜と１０２と第２の導電膜１０４とは、図１（ａ）に示すように交互に配置されてよい。
なお、図１（ａ）、（ｂ）に示した実施形態では、第１の導電膜１０２と第２の絶縁膜１０５とが分離しているが、第１の導電膜１０２と第２の絶縁膜１０５とが接触していてもよい。
【００２０】
第２の絶縁膜１０５は、詳細を後述するようにエレクトレット１０３に着電する前に形成され、エレクトレット１０３の着電時に、エレクトレット１０３とともに帯電し、エレクトレットとして機能する。しかし、第２の絶縁膜１０５の保持力（着電する電荷の量）は、エレクトレット１０３より小さく、従って、エレクトレット１０３は、第２の絶縁膜１０５と比べて高い表面電位を有している。
【００２１】
エレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３により多くの電荷を帯電させることができ、表面電位を高くすることができるという効果を得ることができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
第２の絶縁膜１０５が無い場合、着電の際にコロナ放電により生成された電荷がエレクトレット１０３に荷電（着電）した電荷による静電反発力を受け、第２の導電膜１０２へ流れることは背景技術で説明した通りである。
第２の絶縁膜１０５を形成することにより、着電の際に第２の絶縁膜１０５が帯電されることとなり、第２の絶縁膜１０５の表面電位が第２の導電膜１０４だけの場合と比べて高くなり、コロナ放電により生成された電荷は、絶縁膜１０５に帯電した電荷により静電反発力を受け第２の導電膜１０４へ電荷が流れるのを抑制する。その結果、エレクトレット１０３以外の領域へ電荷が流れるのを抑制することができ、エレクトレット１０３は、より多くの電荷を保持する（帯電させる）ことが可能となる。
【００２２】
さらに、エレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３と第２の絶縁膜１０５の電荷保持力が異なることを利用する。着電時にエレクトレット１０３に帯電した電荷量と第２の絶縁膜１０５に帯電した電荷量の差を利用することで、振動発電器に必要な特性（エレクトレット１０３との電位差）を実現することができる。
【００２３】
ここで、電荷保持力について説明する。
電荷保持力は、帯電した電荷を保持する特性のことを示し、本願では、例えば、コロナ放電等による着電から２４時間後のような、所定の時間経過後の電荷減衰の大きいものを電荷保持力の小さいものと定義している。すなわち、電荷保持力が高いと、着電直後の非定常状態を経て定常状態に至った時（すなわち、エレクトレット電極として使用する時）により多くの電荷を保持している傾向がある。そして、保持している電荷の量が多い程（すなわち、電荷保持力が高い程）、エレクトレットはその表面電位が高くなる。従って、通常の状態の（着電から所定の時間経過し定常状態になった）エレクトレットの表面電位を測定することで電荷保持力の大小を評価できる。
【００２４】
例えば、第２の絶縁膜１０５を、加熱するとエレクトレット１０３よりも顕著に電荷保持力が小さくなる材料を選択し、着電後に熱処理（加熱）を行うことで、エレクトレット１０３と第２の絶縁膜１０５の表面電位の差を顕著にすることができる。
図２は、実施の形態１に係るエレクトレット電極の表面電位と従来構造に係るエレクトレット電極の表面電位の評価結果である。
図３（ａ）は、図２に結果を示す表面電位の評価実験に用いた実施の形態１の発明に係るエレクトレット電極１４０（図２の「実施の形態１に係るサンプル」）の概略断面図であり、図３（ｂ）はエレクトレット電極１４０の概略平面図である。
なお、図１（図１（ａ）、（ｂ））、図３（図３（ａ）、（ｂ））、図４、図５、図７、図８、図９（図９（ａ）、（ｂ））、図１０、図１２（図１２（ａ）、（ｂ））、図１８および図２０（図２０（ａ）、（ｂ））では、それぞれの図に示した符号の数字の下一桁が同じ場合は、それぞれ同一または対応する部材であることを示し（例えば、符号３４、１０４、１４４、１６４、２０４、３０４はいずれも第２の導電膜を示す）、特に断らない限り、これら符号の数字の下一桁が同じ構成要素同士は、同一の構成を有してよい。
表面電位の評価に用いたエレクトレット１４３の幅は１００μｍ、長さは８０００μｍ、厚みは１μｍで、ピッチは２００μｍ（隣接するエレクトレット１４３の中心間距離）であり、第２の導電膜１４４の幅は８０μｍ、長さは８０００μｍでエレクトレット１４３の間に配置した。
【００２５】
エレクトレット１４３は、第３の絶縁膜１４８と、第３の絶縁膜１４８を覆う第２の絶縁膜１４５とにより構成されている。第３の絶縁膜１４８としてシリコン酸化膜（または酸化シリコン膜）を、第２の絶縁膜１４５としてシリコン窒化膜を用いた。
図２に示す「従来構造」は、エレクトレット電極１４０において、第２の導電膜１４４上の第２の絶縁膜１４５を取り除いた構造を用いた。
【００２６】
「実施の形態１に係るサンプル」のエレクトレット電極１４０と「従来構造」のエレクトレット電極とは、図６に示す着電方法により、同条件で帯電を行った。表面電位の測定に際しては、第１の導電膜１４２および第２の導電膜１４４をＧＮＤに接地して、エレクトレット１４３および第２の絶縁膜１４５（第２の導電膜１４４の上に位置する部分）の表面電位の測定を行った。図２では、「従来構造」による第２の導電膜の表面電位とエレクトレットの表面電位との電位差を１として、第２の絶縁膜１４５の表面電位とエレクトレット１４３の表面電位との電位差を示している。図２に示すように表面電位の向上、および電位差の拡大を確認することができた。
【００２７】
このことは、第２の導電膜１４４の上に第２の絶縁膜１４５を形成することにより第２の導電膜１４４上の第２の絶縁膜１４５も電荷を保持し表面電位が上昇するものの、第２の導電膜１４４上の第２の絶縁膜１４５が電荷保持することにより、エレクトレット１４３に帯電した電荷が第２の導電膜１４４に向けて流れるのを抑制し、エレクトレット１４３の電荷保持力が上昇する（すなわち、エレクトレット１４３の表面電位が上昇する）効果の方が大きいため、本発明に係るエレクトレット電極の方が従来構造のエレクトレット電極より電位差が大きくなったことを示している。
【００２８】
なお、第２の導電膜１４４上の第２の絶縁膜１４５（エレクトレット電極１００の第２の絶縁膜１０５も同様）は、一端、コロナ放電等により帯電すると、保持する電荷の量を、例えば表面電位の測定等では検出できないレベルのような、相当に低いレベルまで減少させることはできても、帯電後に絶縁膜を形成した場合と異なり、保持する電荷の量を完全にゼロにすることは不可能である。
このことは、第２の導電膜１４４上の第２の絶縁膜１４５およびエレクトレット電極１００の第２の絶縁膜１０５は、第２のエレクトレットと機能することを意味する。そして、これらの第２のエレクトレットは、第１のエレクトレット（エレクトレット１０３またはエレクトレット１４３）と比べ、相当に低い表面電位を有することになる。
以上の説明からも判るように、本願明細書においては「第２の導電膜」の上に形成されている「第２の絶縁膜」は「第２のエレクトレット」と読み替えることが可能である。
【００２９】
図３に示す実施形態では、エレクトレット１４３は、シリコン酸化膜より成る第３の絶縁膜１４８をシリコン窒化膜より成る第２の絶縁膜１４５で完全に覆った構成を有している。しかし、これに限定されるものではない。異なる構成のエレクトレットを有するエレクトレット電極として、以下に示すエレクトレット電極１６０とエレクトレット１７０とを例示できる。
図４は、エレクトレット電極１６０の概略断面図である。エレクトレット電極１６０のエレクトレット１６３は、シリコン酸化膜から成る第３の絶縁膜１６８の上下にのみシリコン窒化膜から成る第２の絶縁膜１６５を形成している（第３の絶縁膜１６８の側面には第２の絶縁膜１６５を形成していない）。すなわち、エレクトレット１６３は、第３の絶縁膜１６８の上下に第２の絶縁膜１６５が形成された構成となっている。
このような構成を有するエレクトレット電極１６０は、エレクトレット１６３と第２の導電膜１６４の上の第２の絶縁膜１６５（例えば、シリコン窒化膜）との間に十分な電位差を得ることができ、エレクトレット電極１４０と同様の効果を得ることができる。
また、図３、図４で第２の絶縁膜１４５、１６５にシリコン窒化膜を用い、第３の絶縁膜１４８、１６８にシリコン酸化膜を用いたが、第２の絶縁膜１４５、１６５にシリコン酸化膜を用い、第３の絶縁膜１４８、１６８にシリコン窒化膜を用いてもよい。
図５は、エレクトレット電極１７０の概略断面図である。エレクトレット電極１７０のエレクトレット１７３は、図３に示したエレクトレット１４３の第３の絶縁膜１４８（例えばシリコン酸化膜）を第４の絶縁膜１７７（例えばシリコン窒化膜）とし、第２の絶縁膜１７５にシリコン酸化膜を用いている。このようなエレクトレット１７３を有するエレクトレット電極１７０でもエレクトレット電極１４０と同様の効果が得られることは言うまでも無い。
【００３０】
なお、図３に示すエレクトレット電極１４０の第２の絶縁膜１４５、および図４に示すエレクトレット電極１６０の第２の絶縁膜１６５は同じ種類の材料が複数積層されて（例えば、シリコン酸化膜の層を積層する、またはシリコン窒化膜の層を積層する）形成されても同様の効果を得ることができる。
図２０（a）は、第２の導電膜１４４上において、第２の絶縁膜１４５が同じ種類の材料を積層して構成されたエレクトレット電極１４０Ａを示す概略断面図であり、図２０（ｂ）は、第２の導電膜１４４上において、第２の絶縁膜１４５が同じ種類の材料を積層して構成された別の実施形態に係るエレクトレット電極１６０Ａを示す概略断面図である。
【００３１】
エレクトレット電極１４０Ａは、第２の絶縁体１４５が、第２の導電膜１４４の近傍で同じ種類の材料を２つ以上積層した積層構造となっている以外は、エレクトレット１４０と同じ構成を有してよい。同様に、エレクトレット電極１６０Ａは、第２の絶縁体１６５が、第２の導電膜１６４の近傍で同じ種類の材料を２つ以上積層した積層構造となっている以外は、エレクトレット電極１６０と同じ構成を有してよい。
エレクトレット電極１４０Ａおよびエレクトレット電極１６０Ａでは、第２の導電膜１４４または１６４の上のような、第２の導電膜１４４または１６４の近傍に位置する、第２の絶縁膜の厚みを厚膜化することができるため、着電時に第２の絶縁膜（第２のエレクトレット）１４５、１６５の表面電位を高くすることができるという効果を有する。この結果、エレクトレット電極１４０Ａのエレクトレット１４３およびエレクトレット電極１６０Ａのエレクトレット１６３はより多くの電荷を帯電できる（すなわち、より表面電位を高くできる）という効果が得られる。さらに、エレクトレット１４３、第３の絶縁膜１４８の上下、側面、およびエレクトレット１６３の第３の絶縁膜１６８の上下を覆う第２の絶縁膜を形成した後、必要な領域のみを残してエッチング等により除去することで積層に形成できるため、作製が容易になるという利点も有する。
【００３２】
１−２．エレクトレット電極の製造方法
次に、図１を参照して、エレクトレット電極１００の製造方法について説明を行う。第１の基板１０１の１つの主面に第１の絶縁膜１０６、例えばシリコン酸化膜等を形成する。シリコン酸化膜を用いる場合、さまざまな形成方法が知られている。例えば、容易に良質な膜が得られる熱酸化法により、基板１０１の１つの主面の全面にシリコン酸化膜から成る第１の絶縁膜を形成することができる。
【００３３】
次に、第１の絶縁膜１０６の表面に第１の導電膜１０２および第２の導電膜１０４となる導電膜を形成する。このとき、第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０４は別々の材料であっても同様の効果を得ることができるが、同一の材料で形成する方が、プロセスが容易である。導電膜をパターニングにより、短冊状の第１の導電膜１０２と短冊状の第２の導電膜１０４とを形成する。
なお、複数の第１の導電膜１０２同士は電気的に接続されている。電気的な接続方法は任意の方法で行ってよい。例えば、複数の短冊状の第１の導電膜１０２それぞれの端部を帯状の導電膜で結ぶように、櫛形の導電膜を形成してもよい（櫛形の歯の１つが、１つの第１の導電膜１０２となる）。
同様に、複数の第２の導電膜１０４同士も電気的に接続されている。電気的な接続方法は任意の方法で行ってよい。例えば、複数の短冊状の第２の導電膜１０４それぞれの端部を帯状の導電膜で結ぶように、櫛形の導電膜を形成してもよい（櫛形の歯の１つが、１つの第２の導電膜１０４となる）
【００３４】
次に電荷を注入してエレクトレットとなるエレクトレット材料を第１の導電膜１０２、および第２の導電膜１０４を覆うように形成し、第１の導電膜１０２と同じ形状にパターニングし、エレクトレット１０３となるエレクトレット材料を配置する。このとき、エレクトレット１０３となるエレクトレット材料は第１の導電膜１０２よりも小さく形成してもよい。この場合、パターンズレが生じた場合にもエレクトレットの特性を一定に保つことが可能となる。
【００３５】
次に第２の導電膜１０４を覆うように第２の絶縁膜（第２のエレクトレット用のエレクトレット材料）１０５を形成する。
その後、着電を行う。エレクトレット１０３となるエレクトレット用材料に電荷を注入するには、コロナ放電等を用いる。図６は、コロナ放電による着電方法を示す模式図である。図６に示すように、第１の直流高圧電源１５３を用いて電極１５０に例えば１０ｋＶ程度の高電圧を印加して空中放電を生じさせる。
この際、エレクトレット電極１００の第１の導電膜１０２をＧＮＤに接地し、第３の直流高圧電源１５５により第２の導電膜１０４に例えば５００〜７００Ｖ程度の電圧を印加する（エレクトレット１０３への着電量を増やすためには、ＧＮＤとの電位差が大きければ大きいほどよい）。上述の空中放電によりエレクトレット電極１００は電荷を注入される。このとき第２の直流高圧電源１５４によりグリッド電極１５１に印加された例えば電圧（例えば０．５〜２ｋＶ程度）で、注入量を制御する。
このように着電を行うことで、エレクトレット（第１のエレクトレット用材料）１０３および第２の絶縁膜（第２のエレクトレット用材料）１０５が帯電した状態となる（すなわち、第１のエレクトレット１０３と第２のエレクトレット１０５が形成される。）。着電の後、第２の絶縁膜１０５に注入された電荷を熱処理等により大幅に減少させてもよい。これにより、エレクトレット１０３の表面電位と第２の絶縁膜１０５の表面電位との電位差をより大きくできる。
【００３６】
また、エレクトレット１０３の表面電位と第２の絶縁膜１０５の表面電位との電位差をより大きくする方法として、エレクトレット１０３の上面の高さを第２の絶縁膜１０５の上面の高さより高くすることを例示できる。
すなわち、エレクトレット１０３と電極１５０との距離を第２の絶縁膜１０５と電極１５０との距離より短くすることで、より多くの電荷をエレクトレット１０３に導くことができる。
【００３７】
実施の形態１に示すように、第３の直流高圧電源１５５を用いて、第２の導電膜１０４に電圧を印加して着電を行うことによりコロナ放電による電荷がエレクトレット１０３に着電された電荷との間で静電反発力を生じ、電荷が第２の導電膜１０４へ流れることを抑制することができる。
また、本実施の形態に示すように第２の導電膜１０４が第２の絶縁膜１０５により覆われていると、第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０４の間の絶縁耐圧を向上することができ、第２の導電膜１０４に高電圧を加えながら着電を行う場合においても、着電時の放電を防止することができるという効果もある。
【００３８】
これまでに説明した実施の形態では、第１の基板１０１上に第１の絶縁膜１０６を形成しているが、これに限定されるものではない。図７は、基板上に第１の絶縁膜を形成しないエレクトレット電極１１０の概略断面図である。
エレクトレット電極１１０では、第１の基板１１１として、ガラス基板等の絶縁基板または高抵抗のシリコン基板のように電気抵抗の大きな（絶縁性の高い）基板を用いている。このため、図７に示すように第１の導電膜１１２および第２の導電膜１１４を第１の基板１１１上に直接形成しても、同様に本発明の効果が得られる。
【００３９】
さらに、図１では、第１の基板１０１上に第１の導電膜１０２と第２の導電膜１０２が互いに離れて形成されている実施形態を示した。
図８は、第１の基板の上に第１の導電膜および第２の導電膜が形成されていないエレクトレット電極１２０を示す模式断面図である。エレクトレット電極１２０では、第１の基板１２１が導電性を有し、第１の導電膜および第２の導電膜を兼ねて用いる。このような構造を有するエレクトレット電極１２０は、エレクトレット電極１００と同様に、エレクトレット１２３により多くの電荷を保持できるという効果を得られることは言うまでもない。
【００４０】
図９（ａ）は、第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３の幅が大きいエレクトレット電極１３０の概略断面図であり、図９（ｂ）は第１の導電膜１３２の幅よりもエレクトレット１３３Ａの幅が小さいエレクトレット電極１３０Ａの概略断面図である。
図１に示すエレクトレット電極１００では、エレクトレット１０３は、第１の導電膜１０２と同じ幅で形成されているが、図９（ａ）に示すエレクトレット電極１３０では、エレクトレット１３３の幅は第１の導電膜１３２の幅よりも大きく形成されている。このような構成を有するエレクトレット電極１３０がエレクトレット電極１００と同様の効果を奏するがことは言うまでもない。例えば、エレクトレット１３３の幅が、第１の導電膜１３２の幅よりも５ｕｍ程度大きくなるように形成すれば、エレクトレット１３３のパターニング時にマスクずれ等によるパターンずれが生じた場合においてもエレクトレット電極１３０の特性を確保することができ、安定なエレクトレット電極１３０を実現することが可能となる。
【００４１】
また、図９（ｂ）に示すようにエレクトレット１３３Ａの幅を第１の導電膜１３２の幅よりも小さく形成してもエレクトレット電極１００と同様の効果を奏することは言うまでもない。例えば、エレクトレット１３３Ａの幅が、第１の導電膜１３２の幅よりも５ｕｍ程度小さくなるように形成すれば、エレクトレット１３３Ａのパターニング時にマスクずれ等によるパターンずれが生じた場合においてもエレクトレット１３３Ａは、第１の導電膜１３２上に形成されるため、パターンズレによるエレクトレット電極１３０Ａの特性変化をより確実に防止することができる。
【００４２】
また、本実施の形態において、エレクトレット１０３にシリコン酸化膜を、第２の絶縁膜１０５にシリコン窒化膜を用いて構成した場合、エレクトレット１０３を負に、第２の絶縁膜１０５を正に帯電して構成してよい。そのような構成においても、振動発電器に必要な特性（エレクトレット１０３と第２の絶縁膜１０５の電位差）を実現することが可能となる等、利用上の効果は大きい。
また、本実施の形態ではエレクトレットとして、シリコン酸化膜を用いた例を示したが、シリコン酸化膜以外のエレクトレット材料を用いてもよく、その場合にも、エレクトレット材料に応じて、第２の絶縁膜１０５の材料を適宜選択することによって、同様の効果を得ることができる。
【００４３】
２．実施形態２
図１０は、本発明の実施の形態２に係るエレクトレット電極２００の断面図である。
図１０において、エレクトレット電極２００は、第１の基板２０１と、第１の基板２０１上に形成された第１の絶縁膜２０６と、第１の絶縁膜２０６上に形成された第１の導電膜２０２と、第１の導電膜２０２上に形成されたエレクトレット２０３、及び第１の絶縁膜２０６上に形成された第２の導電膜２０４と、第２の導電膜２０４上に形成された第２の絶縁膜２０５とを有して構成されている。
第２の絶縁膜２０５は、エレクトレット２０３の着電前に形成され、エレクトレット２０３の着電時に、エレクトレット２０３とともに帯電するのは、エレクトレット電極１００等の実施の形態１で示したエレクトレット電極と同じである。
【００４４】
本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、第２の絶縁膜２０５の幅方向（図１０の左右方向）の中心付近（図１０に示す実施の形態では第２の導電膜２０４の上部に位置する第２の絶縁膜２０５の中心付近）が他の部分（例えば、端部近傍）の厚みよりも薄く形成されている点である。これ以外の構成は、例えばエレクトレット１００のような実施の形態１に示したエレクトレット電極と同じであってよい。
実施の形態２に係るエレクトレット電極２００によれば、実施の形態１で示した効果に加えて、第２の絶縁膜２０５に帯電した電荷をより早く、より多く除去でき、第２の絶縁膜電荷２０５が保持する電荷の量をより少なくすることが可能となる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
【００４５】
第２の絶縁膜２０５の一部が薄く形成されている効果について説明を行う。例えばコロナ放電のような帯電処理により、第２の絶縁膜に同じ量の電荷を帯電させた場合、第２の絶縁膜の厚さが厚いときと、薄いときとでは電荷の保持力が変わり、第２の絶縁膜の厚さが薄い方が、電荷抜け（電荷量の減少）が早い。また、帯電量の最大値（帯電可能な電荷の量の最大値）は、第２の絶縁膜が厚い場合と薄い場合では、薄い場合の方が少なくなる。従って、第２の絶縁膜の膜厚を薄くし、着電時の第２の絶縁膜２０５への帯電量を少なくすると共に、電荷抜けを促進することにより、エレクトレット２０３と第２の絶縁膜２０５の電位差をより大きくしたエレクトレット電極２００が可能となる。
【００４６】
また、エレクトレット電極２００においても、第２の導電膜２０４は所定の電圧に固定して着電を行うことで着電量が安定するとともに、第２の絶縁膜２０５により第１の導電膜２０２と第２の導電膜２０４との間の絶縁破壊電圧を高電圧化することができる。特に、第２の導電膜２０４のエッジ（幅方向の端部）付近において、第２の絶縁膜２０５の膜厚を厚く（例えば、エレクトレット電極１００の第２の絶縁膜１０５と同程度の１５０ｎｍ以上）することで高い絶縁耐圧を得ることができる。
このように、第２の絶縁膜２０５は、幅方向の中心付近のみ膜厚を薄く（端部は厚く）形成することにより、絶縁耐圧の低下を抑え、かつ電荷抜けを促進するという効果を得ることができる。
【００４７】
図１０に示す実施の形態では、第１の基板２０１上に第１の絶縁膜２０６を形成した構成を示したが、第１の基板として、ガラス基板等の絶縁基板、あるいは高抵抗のシリコン基板を用いることにより、第１の絶縁膜２０６の形成を省略しても同様の効果が得られる。
【００４８】
３．実施の形態３
図１１は、本発明の実施の形態３に係るエレクトレット電極３００の断面図である。
図１１において、エレクトレット電極３００は、第１の基板３０１と、第１の基板３０１上に形成された第１の絶縁膜３０６と、第１の絶縁膜３０６上に形成された第１の導電膜３０２と、第１の導電膜３０２上に形成されたエレクトレット３０３、及び第１の絶縁膜３０６上に形成された第２の導電膜３０４と、第２の導電膜３０４上に形成された第２の絶縁膜３０５とを有して構成されている。
【００４９】
第２の絶縁膜３０５は、エレクトレット３０３の着電前に形成され、エレクトレット３０３の着電時に、エレクトレット３０３とともに帯電する。
【００５０】
本実施の形態が、実施の形態１および実施の形態２と異なる点は、第２の絶縁膜３０５の一部（本実施の形態では第２の導電膜３０４の上部で且つ第２の導電膜３０４のエッジ付近（幅方向端部））が形成されていない（形成後除去する場合も含む）点である。すなわち、図１１に示す実施形態では、第２の導電膜３０４の上面の一部分（端部と中央部の間の一部分、例えば幅方向端部付近の一部分）が第２の絶縁膜３０５により覆われていない。
これ以外の構成は、例えばエレクトレット電極１００のような実施の形態１に示したエレクトレット電極またはエレクトレット電極２００のような実施形態２に示したエレクトレット電極と同じであってよい。
このような構成を有する実施の形態３に係るエレクトレット電極３００は、実施の形態１で示した効果に加えて、第２の絶縁膜３０５に帯電した電荷をより早く、より多く除去でき、第２の絶縁膜電荷３０５が保持する電荷の量をより少なくすることが可能となる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
【００５１】
図１１に示すように、第２の絶縁膜３０５の一部（例えば、上面の一部）が形成されていないと、第２の絶縁膜３０５の上面からだけでなく、側面からも電荷抜け（電荷の外部への流出）が生じることとなるため、エレクトレット電極３００ではエレクトレット３０３と第２の絶縁膜３０５の電位差をより大きくすることが可能となる。
【００５２】
また、本実施の形態に係るエレクトレット電極３００においても、第２の導電膜３０４は所定の電圧を印加して着電を行うことで着電量が安定するとともに、第２の絶縁膜３０５により第１の導電膜３０２と第２の導電膜３０４との間の絶縁破壊電圧を高電圧化することができる。特に、第２の導電膜３０４よりも上部（図１１の上方向）において、第２の導電膜３０４のエッジ（幅方向端部）よりも内側に入った部分に第２の絶縁膜３０５が形成されていない部分を設けることで絶縁耐圧の低下を抑えて第２の絶縁膜３０５の電荷抜けを促進するという効果が得られる。
【００５３】
図１２（ａ）は、エレクトレット電極３００の図１１の点線で囲んだ部分の上面図であり、図１２（ｂ）は、エレクトレット電極３００の図１１の点線で囲んだ部分の別の実施形態を示す上面図である。
図１２（ａ）に示す実施の形態では、第２の導電膜３０４のエッジ（幅方向端部）よりも内側に入った部分に位置する第２の絶縁膜３０５が形成されていない部分（第２の導電膜３０４が露出している部分）は、長さ方向（図１２（ａ）の上下方向）に延在する溝状の開口として形成されている。
しかし、この形態に限定されるものではなく任意の形態であってよい。例えば図１２（ｂ）に示す実施の形態では、第２の導電膜３０４のエッジ（幅方向端部）よりも内側に入った部分に位置する第２の絶縁膜３０５が形成されていない部分（第２の導電膜３０４が露出している部分）は、複数の貫通孔（開口）として形成されている。このような複数の貫通孔は図１２（ｂ）に示すように長手方向等の任意の方向に整列して配置されてもよく、またランダムに配置されてもよい。
【００５４】
図１１に示す実施の形態では、第１の基板３０１上に第１の絶縁膜３０６を形成した構成を示したが、第１の基板として、ガラス基板等の絶縁基板、あるいは高抵抗のシリコン基板を用いることにより、第１の絶縁膜３０６の形成を省略しても同様の効果が得られる。
【００５５】
４．実施の形態４
本発明の実施の形態４として、本願発明に係るエレクトレット電極を用いた振動発電器について説明する。図１３は、本発明の実施の形態４に係る振動発電器４１３の概略断面図である。
振動発電器４１３は、エレクトレット電極４００を含む第１の基板４０１と、第１の基板４０１を、固定構造体４０７ａ、４０７ｂに接続する弾性構造体４０８ａ、４０８ｂを含む。さらに、固定構造体４０７ａ、４０７ｂは、支持体４０９ａ、４０９ｂにより、第２の基板４１０に接続されている。第２の基板４１０上には、導電膜（電極）４１１ａ、４１１ｂ、４１１ｃ、４１１ｄ、４１１ｅ（すなわち複数個の導電膜（電極））が並列して（または整列して）配置されている。エレクトレット電極４００は、実施の形態１から実施の形態３のいずれかに記載したエレクトレット電極である。
【００５６】
次に、振動発電器４１３の動作について説明を行う。
振動発電器４１３は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体４０８ａおよび４０８ｂが伸縮し、これにより第１の基板４０１は第２の基板４１０に対して、矢印４１２に示す方向に相対的に変位する。この相対的な変位は、エレクトレット電極４００のそれぞれのエレクトレットと第２の基板上の電極４１１ａ〜ｅのいずれかとの重なり面積の増減をもたらす。この重なり面積の増減により、電極４１１ａ〜ｅに誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減を電気エネルギーとして取り出すことによって、発電を行う。第１の基板４０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続き、発電も継続される。
【００５７】
本実施の形態では、エレクトレット電極４００は実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係るエレクトレット電極を用いており、従来のエレクトレット電極を用いた場合と比較して発電量を向上することができる。この効果について、以下に詳細な説明を行う。
本実施の形態の振動発電器３１４では、エレクトレット電極４００は微細なパターンで形成されているため、第１の基板４０１が同じ振幅であれば、従来のエレクトレット電極を用いた場合と比べて、１回の振幅あたりの重なり面積の増減回数が多くなる。
また実施の形態１から実施の形態３のいずれかに係るエレクトレット電極は、表面電位が高く、また第２の導電膜上に配置された第２の絶縁膜に対して十分に大きな電位差を有しているという特徴があり、重なり面積の増減により誘起される電荷量は、従来のエレクトレット電極を用いた場合に比べて多くなる。
【００５８】
図１３に示す振動発電器４１３の例を示したが、本発明に係るエレクトレット電極を用いた振動発電器であれば、第１の基板４０１が、弾性構造体が接続された構造体に形成（接合）されている構造であっても同様の効果を得ることができることは言うまでも無い。
図１３では、振動発電器の例を示したが、振動発電器以外の装置（またはデバイス）であって、パターン化したエレクトレットにおいて高い表面電荷密度が必要な装置（またはデバイス）に、本発明のエレクトレット電極を用いることは効果的である。例えば、本発明のエレクトレット電極は、アクチュエータを構成するために用いてよい。アクチュエータにおいて、エレクトレットはパターン化され、表面電荷密度が高いほど、電力の発生はより大きくなる。
【００５９】
５．実施の形態５
本発明の実施の形態５として、振動発電装置を説明する。図１４は、振動発電装置５００のブロック図である。図１４において、振動発電器５０１は本発明の実施の形態４に係る振動発電器である。
図１４に示す振動発電装置５００は、振動発電器５０１、整流回路５０２、電圧変換回路５０３、出力切替回路５０４、蓄電回路５０５および電圧制御回路５０６を含む。振動発電器５０１から出力された交流電圧は、整流回路５０２により直流電圧に変換される。直流電圧は、電圧変換回路５０３に入力され、振動発電装置５００の出力電圧レベルに電圧変換される。変換された電圧は、出力切替回路５０４により、電圧制御回路５０６または蓄電回路５０５に入力される。電圧制御回路５０６では、出力電圧が一定となるように電圧制御されて出力される。
【００６０】
以上のように構成された振動発電装置５００の動作について、図１５を参照して説明する。図１５は振動発電装置５００の各回路から出力される電圧波形を示している。図１５（ａ）は、振動発電器５０１の出力電圧波形である。図１１（ａ）では、簡単のため、第１の基板の変位方向が変わるときでも発電は効率よく行われていると仮定し、振動による重なり面積の増減により正弦波電圧が出力されるとしている。ここで、振動発電器５０１の出力電圧の電圧振幅Ｖｇは、第１の基板の振動振幅、第１の基板と第２の基板との間のギャップ、エレクトレットの保持電荷量及び振動発電器５０１から見た外部インピーダンスの大きさ等により異なる。振動発電器５０１から出力された交流電圧は、整流回路５０２により直流電圧ＶＤＣ１に変換される（図１１（ｂ））。ＶＤＣ１は、振動発電装置５００の出力電圧レベルＶＤＣ２まで、電圧変換回路５０３により電圧変換される。
【００６１】
出力切替回路５０４は、振動発電装置５００から電圧を出力する必要がない場合、電圧変換回路５０３からの出力を電圧制御回路５０６に送らず、蓄電回路５０５に送る役割をする。蓄電回路５０５は、発電された電力を蓄える。出力切替回路５０４は、振動発電装置５００からの電圧出力が必要である場合には、電圧制御回路５０６から電力が出力されるように、回路を切り替える。出力切替回路５０４は、さらに、発電量が小さい場合には、蓄電回路５０５に蓄えられた電力を出力するように、回路を切り替える。出力切替回路５０４からの出力は、電圧制御回路５０６により所望の出力電圧ＶＯＵＴに制御されて、振動発電装置５００外へ出力される（図１１（ｃ））。
【００６２】
前述したように、振動発電器５００の出力電圧は、さまざまな要因で変動する。これに対応するため、ＶＤＣ２は、最終的に出力される電圧ＶＯＵＴよりも若干高い電圧に設定することが望ましい。このように設定を行うことにより、微小な電圧変動に対しても、出力電圧を一定とすることが可能となる。例として、１．８Ｖの電圧（電圧ＶＯＵＴ）で電力を出力する場合について説明する。この場合において、ＶＤＣ２が１．８Ｖに設定されていて、かつ振動発電器の出力電圧が減少すると、振動発電器３００の出力電圧も減少する。しかし、例えば、ＶＤＣ２を２Ｖに設定しておけば、０．２Ｖの電圧減少に対しても十分に制御が可能となる。したがって、ＶＤＣ２＞ＶＯＵＴに設定することにより、出力電圧を一定にして安定して電力を供給できる。
【００６３】
６．実施の形態６
図１６は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステムにおいて使用される通信装置のブロック図である。図１６において、発電装置６０１は、実施の形態３に係る振動発電装置を示す。
図１６に示す通信装置６００は、振動により発電を行う発電装置６０１、通信装置の主電源または発電装置６０１のサブ電源としての電池６０２、発電装置６０１からの出力と電池６０２からの出力を切り替えて回路部に供給する電源制御部６０３、タイヤの空気圧を測定する圧力センサ６０４、圧力センサからの出力を処理し、通信部に伝える処理部６０５、処理部６０５からの入力信号を高周波信号に変換してアンテナ６０７へ伝える通信部６０６およびアンテナ６０７を含む。
以上のように構成された通信装置６００の動作について説明を行う。
【００６４】
圧力センサ６０４、処理部６０５および通信部６０６が動作するのに必要な電力を、電源制御部６０３を介して、発電装置６０１および電池６０２の少なくとも一方から供給する。圧力センサ６０４は、タイヤの空気圧を測定し、測定結果を電圧信号に変換して処理部６０５へ入力する。処理部６０５で処理された信号は、通信部６０６へ入力され、高周波信号としてアンテナ６０７から伝搬される。
【００６５】
このように作動する通信装置６００において、本発明に係る振動発電装置を電源として利用することにより、電池交換等のメンテナンス作業回数を低減することができ、或いは電池交換を不要とすることができる。このことは、通信装置それ自体の利便性を向上させるとともに、省資源および環境保護にも寄与する。
【００６６】
図１６に示す実施の形態では、振動発電装置と電池とを併用する例を示した。しかし、振動発電装置６０１からの出力電力が、圧力センサ６０４、処理部６０５、通信部６０６等の回路で消費する電力、および通信に必要な電力を十分に供給することができる限り、振動発電装置６０１のみを電源として用いてよい。この場合、電池、６０２及び電源制御部６０３が不要となり、通信装置６００の更なる小型化ができるという利点を有する。
【００６７】
図１６に示す実施の形態では、実施の形態４に示す振動発電器、および実施の形態５に示す振動発電装置を用いる例を示した。振動発電器は、外部からの力または振動を電力に変換可能である限りにおいて、他の振動発電器であってもよく、その場合において同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００６８】
本発明の振動発電器および振動発電装置は、通信装置以外の電気機器において、主電源または副電源として使用してよい。具体的には、腕時計、体温計、温度計、歩数計、リモートコントローラ、携帯オーディオ製品、キーレスエントリー用携帯機、補聴器、心臓ペースメーカー、携帯電話およびゲーム機等において、使用することができる。
本明細書において開示された実施の形態において、すべての構成要素は例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記の説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明のエレクトレット電極の構成は、エレクトレットを微細化しても高い表面電位または表面電荷密度を得ることを可能とするので、静電誘導型振動発電器のエレクトレット電極として有用である。また、本発明の振動発電器は、小電力の無線通信モジュール等の用途において、電源として非常に有用である。
【符号の説明】
【００７０】
１００，１１０，１２０，１３０Ａ，１４０，１４０Ａ，１６０，１６０Ａ，１７０，２００，３００，４００  エレクトレット電極
１０２，１１２，１３２，１４２，１６２，１７２，２０２，３０２  第１の導電膜
１０３，１２３，１３３，１３３Ａ，１４３，１６３，１７３，２０３，３０３  エレクトレット
１０４，１１４，１３４，１４４，１６４，１７４，２０４，３０４  第２の導電膜
１０５，１１５，１２５，１４５，１６５，１７５，２０５，３０５  第２の絶縁膜
１０６，１３６，１４６，１６６，１７６，２０６，３０６  第１の絶縁膜
５００  振動発電装置
５０１  振動発電器
６００  通信装置
【図２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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