(57)【要約】  ２軸方向に振動して発電可能な振動発電装置の発電効率を向上させる。  第１の基板１０１と第２の基板１０６と、第１の基板上に形成された第１の電極１０４と、固定構造体１０３と、第１の基板と固定構造体を接続する弾性構造体１０２Ｘ、１０２Ｙと、第２の基板上に形成された第２の電極１０５とを備え、第１の電極の矩形ないしは正方形の導体部１０４ａ、および第２の電極の矩形ないしは正方形の導体部１０５ａを市松格子状に配置することにより、電極の重なり面積が大きくなるので、振動による発電領域を増加させることができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向している振動発電器。
【請求項２】
前記第２の電極は、
前記導体部が市松格子状に配置された電極群Ａと、
前記電極群Ａにおいて前記導体部が存在しない各格子に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された電極群Ｂとで構成されており、
前記電極群Ａと前記電極群Ｂとは、電気的に接続されていない請求項１に記載の振動発電器。
【請求項３】
固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第１の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項４】
固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第２の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第１の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第２の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第２の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項５】
固定構造体と、
前記固定構造体と前記第１の基板との間に配置された可動構造体と、をさらに含み、
前記可動構造体と前記第１の基板とが、第１の弾性構造体により前記第１軸方向に平行な方向に接続されており、
前記固定構造体と前記可動構造体とが、第２の弾性構造体により前記第２軸方向に平行な方向に接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項６】
前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方の前記第１軸方向の振動の共振周波数である第１共振周波数と、前記いずれか一方の電極の前記第２軸方向の振動の共振周波数である第２共振周波数とが、異なっている請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項７】
前記第１共振周波数と、前記第２共振周波数とが、少なくとも２０％異なっている請求項６に記載の振動発電器。
【請求項８】
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、前記第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項９】
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向の少なくとも一方において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向しており、
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、
振動発電器。
【請求項１０】
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向の少なくとも一方において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向しており、
前記第１の基板において、前記第１の電極が形成された領域の外接面積が、前記第２の基板において、第２の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、
振動発電器。
【請求項１１】
前記第１の電極または第２の電極は、前記導電部として膜状の導電部と、前記電荷を保持した膜としてシリコン酸化膜とを少なくとも含み、
前記膜状の導電部は前記第１の基板または前記第２の基板上に形成されており、
前記シリコン酸化膜は、その上面、下面および側面が、絶縁膜で覆われており、
前記導電部がすべて、電気的に接続されている
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項１２】
前記シリコン酸化膜を含む前記第１の電極または前記第２の電極において、前記シリコン酸化膜が複数の独立した帯電部として形成され、前記第１の電極または前記第２の電極は、正の電荷が保持された帯電部を含む電極群、および負の電荷が保持された帯電部を含む電極群により構成されている、請求項１１に記載の振動発電器。
【請求項１３】
前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記間隙の距離が、前記第１の電極を構成する前記導体部および前記第２の電極を構成する前記導体部のうち、最も小さい導体部の短辺よりも小さい、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の振動発電器を含む、発電装置。
【請求項１５】
請求項２に記載の振動発電器を含む、発電装置であって、
前記電極群Ａからの出力端子と、前記電極群Ｂからの出力端子がそれぞれ全波整流回路に接続されている、発電装置。
【請求項１６】
請求項１〜１３のいずれか１項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、
振動発電装置からの出力が不要な場合に、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、蓄電回路または電圧制御回路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１７】
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１６に記載の振動発電装置。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の発電装置を含む、通信装置。
【請求項１９】
さらに電池を含む、請求項１８に記載の通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電器、振動発電装置、振動発電装置を搭載した通信装置に関し、特に、エレクトレットを用いた静電誘導型振動発電器、振動発電装置、及びこの振動発電装置を搭載した通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変容量の一方の電極に電荷を与え、対向する電極へ静電誘導により電荷を誘起し、容量の変化により、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は、既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
図１４に、前記特許文献１に記載された、静電誘導型振動発電器を示す。図１４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。【０００４】
この静電誘導型発電器１０は、複数の導電性表面領域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１５を備えた第２の基板１６とで構成される。前記第１の基板１１と、前記第２の基板１６は、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は固定構造１７にバネ１９を介して連結されている。バネ１９は、第１の基板１１の両側面に接続されるとともに、固定構造１７に接続されている。このバネ１９により、第１の基板１１は定位置に戻ることができ、或いは、第１の基板１１は側方運動（例えばＸ軸方向運動）を行い、定位置に戻ることができる。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。【０００５】
しかしながら、図１４の静電誘導型振動発電器において、第１の基板はＸ軸方向（図中矢印１８の方向）以外の方向において振動しないように規制されている。そのため、この静電誘導型振動発電器１００は、Ｘ軸方向以外の方向の外部振動を電気エネルギーとして取り出すことができない。この問題を解決するため、多方向の外部振動を発電に利用可能な静電誘導型振動発電器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。【０００６】
図１５に、前記特許文献２に記載された、静電誘導型振動発電器を示す。図１５は、エレクトレットを用いた振動発電器の概略断面図である。【０００７】
図１５に示す、振動発電器２０において、エレクトレット電極２２Ｃ、及び可動電極２５Ｃはそれぞれ、２次元アレイ配置された複数の電極パッド２２Ｌ、２５Ｌをそれぞれ含んでいる。そのため、可動電極２５ＣがＸ軸方向（矢印２７ａ）のみに一定距離だけ移動した時に生じる、可動電極２５Ｃとエレクトレット電極２２Ｃとの重なり面積の変化量を、可動電極２５ＣがＹ軸方向（矢印２７ｂ）のみに前記一定距離だけ移動した時に生じる、前記重なり面積の変化量と同じにすることが比較的容易である。また、図１５に示す振動発電器は、Ｘ軸方向とＹ軸方向について互いに同じ距離だけ変位したときの発電量を等しくすることができ、Ｘ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向の外部振動に対しても発電を行うことができる構造である。【０００８】
エレクトレットそれ自体は、既に、公知のものである。例えば、有機系の高分子重合体（ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロエチレンの共重合体）は、エレクトレットの材料として既に知られている。また、無機材料として、シリコン酸化膜が知られており、さらに、シリコン酸化膜を絶縁膜で覆って、電荷の抜けを防止する構成が提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）
【特許文献２】特開２００８−８６１９０号公報（第６−７頁、図６）
【特許文献３】国際公開第２００５／０５０６８０号パンフレット（第２頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特許文献２に示す振動発電器においては、ＸＹ平面内の任意の方向の振動を電力に変換するために、エレクトレット電極２２Ｃの周囲にはエレクトレット電極は配置されない構造となる。その結果、同一サイズの振動発電器と比較して、エレクトレット電極の配置可能な領域（エレクトレット電極の総面積）が減少する。そのため、一つの振動方向（Ｘ軸、またはＹ軸方向のみ）における発電量を比較すると、特許文献１に記載の構成のものよりも、発電量が減少するという課題を有していた。【００１１】
また、特許文献２に記載の振動発電器においては、エレクトレット電極が分割されているために、貫通配線等を行う必要がある。そのことは、構造およびプロセスが複雑になる等の課題をも生じさせた。【００１２】
本発明は、前記従来の振動発電器の課題を解決するためになされたものである。本発明は、特に、エレクトレット電極が配置される領域（即ち、エレクトレット電極の総面積）を増加させ、発電量が増加した振動発電器を提供することを目的とする。更に、本発明は、発電効率を改善した振動発電器を提供することを目的とする。更にまた、本発明は、そのような振動発電器を用いて、振動発電装置、及び振動発電装置を搭載した通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向している振動発電器を提供する。【００１４】
本発明の振動発電器において、エレクトレット電極である第１の電極、及び検出電極である第２の電極は、長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有する。本発明の振動発電器は、基板に平行な面における第１軸方向（例えば、Ｘ軸方向）、または第１軸方向と垂直な方向（例えば、Ｙ軸方向）において、第１および第２の電極のいずれかが、外部から加えられた力によって振動し、それにより、第１の電極の導体部と第２の電極の導体部の重なり面積が変化することを利用して、発電を行う。本構成によって、エレクトレット電極と検出電極の重なり面積を増加することができ、その結果、振動による発電可能な領域を増加することができ、ひいては発電量を増加することができる。また、本構成によれば、エレクトレット電極を構成する導電部を、基板上で簡便に電気的に接続することが可能となり作製工数を低減することができる。  【００１５】
本発明の振動発電器は、固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第１の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、構成を有してよい。【００１６】
本構成によって、第１の基板の振動の共振周波数が、第１軸方向（Ｘ軸方向）と第２軸方向（Ｙ軸方向）で異なる値となり、第１の基板が第１軸方向および第２軸方向以外の方向（例えば、第１軸方向となす鋭角が４５度である、斜め方向）で変位すること防止できる。その結果、本発明の振動発電器において、発電量の低下を防ぐことができる。固定構造体を、第２の基板に、弾性構造体により接続する場合にも、弾性体のばね定数を上記と同様に選択することにより、同様の効果が得られる。【００１７】
本発明はまた、
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向の少なくとも一方において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向しており、
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、振動発電器を提供する。【００１８】
この構成によれば、第１の基板が第２の基板に対して大きく変位した場合においても、エレクトレット電極と検出電極の重なり面積を、初期状態（即ち、振動していない状態）の面積から変化させず、一定とすることができる。その結果、発電量を、第１の基板の変位量（または振幅）の大小にかかわらず、一定に保つことができる。【００１９】
本発明はまた、前記本発明の振動発電器を含む、振動発電装置を提供する。本発明の振動発電装置は、従来のものと同程度の寸法（特に、電極が形成された領域の外接面積）を有する振動発電器を含むものと比較して、発電量のより大きいものとなる。【００２０】
本発明の振動発電装置は、蓄電回路を含んでよい。蓄電回路を含むことによって、振動発電器からの出力電力が大きい場合には、蓄電回路に電力を蓄えることができる。蓄電回路に蓄えられた電力は、発電器からの出力電力が低下した場合に、供給され、それにより振動発電装置の出力を安定に保つことができる。【００２１】
本発明はまた、本発明の振動発電装置を含む通信装置を提供する。本発明の通信装置は、電池のみで駆動するものと比較して、電池交換回数の低減を可能にし、或いは用途によっては、電池交換を不要とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の振動発電器によれば、発電効率を低下させることなく、対向する２つの電極の一方が、外部からの力を受けて、Ｘ軸方向、及びＸ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）において振動し、この振動を電力に変換することができる。また、本発明の振動発電装置は、本発明の振動発電器を含み、比較的高い出力の電力を供給できる。さらに、本発明の振動発電装置が蓄電回路を含む場合には、出力電圧を安定させることが可能である。本発明の振動発電器は、通信装置の電源として機能することができる。本発明の振動発電装置は、外部から与えられた力（例えば、人間が歩行しているときに加わる力、又は車を運転している間に加わる振動等）で発電可能なものであるから、本発明の振動発電装置を用いた通信装置は、電池交換等のメンテナンス回数を低減できる等、省資源および環境保護の点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１における振動発電器の上面図、（ｂ）は（ａ）に示す振動発電器の第２の電極の配置を示す上面図
【図２】図１に示す振動発電器において、Ａ−Ａに沿って切断した、第１の電極構造を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における振動発電器の他の電極構造を示す上面図
【図４】本発明の実施の形態１における振動発電器の第１の電極と第２の電極の関係を説明する図
【図５】本発明の実施の形態１における振動発電器の他の構造を示す上面図
【図６】本発明の実施の形態２における振動発電器の図
【図７】歩行により生ずる振動の加速度パワースペクトルの測定結果の例を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態３における振動発電器の図
【図９】本発明の実施の形態３における変形例の振動発電器の図
【図１０】弾性構造体の具体例を含む、発明の実施の形態３における変形例の振動発電器の図
【図１１】本発明の実施の形態３における振動発電装置を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態３における振動発電装置の各部の電圧波形を示す図
【図１３】本発明の実施の形態４における通信装置を示す図
【図１４】従来の静電誘導型振動発電器の上面図
【図１５】従来の多軸方向の振動を電力に変換する静電誘導型振動発電器の上面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における振動発電器を示し、（ａ）は、振動発電器１００の上面図であり、（ｂ）は、振動発電器１００を構成する、第２の電極１０５が形成された第２の基板１０６を含む第２の構造体１０８の上面図である。ただし、図１の（ａ）においては、理解の容易のため、第１の基板１０１に形成された第１の電極１０４を示している。実際の振動発電器においては、第１の電極と第２の電極は対向しているため、外観には現れない。
【００２５】
振動発電器１００は、第１の構造体１０７と第２の構造体１０８により構成される。第１の構造体１０７は、第１の基板１０１および固定構造体１０３を含み、第１の電極１０４は第１の基板１０１上に形成される。第１の基板１０１は、弾性構造体１０２Ｘ、１０２Ｙにより、固定構造体１０３に接続されており、図示したＸ軸方向およびＹ軸方向に、振動可能である。
【００２６】
弾性構造体１０２Ｘ、１０２Ｙは、外部から加えられた力により、伸縮して、第１の基板１０１を振動させる性質を有する。弾性構造体は、具体的には、ばね、またはエラストマー材料（例えば、パリレン樹脂）を用いた構造体であってよい。あるいは、弾性構造体は、１枚のシリコン半導体基板を加工（例えば、ディープＲＩＥ）して、固定構造体１０３と第１の基板１０１とを作製する場合に、両者の間に、半導体基板を一部、橋のように残すことによって形成されたものであってよい。橋状部分の形状および寸法を適宜選択することにより、シリコン半導体基板を、弾性構造体として機能させることは可能である。
【００２７】
第２の構造体１０８は、第２の電極１０５を含み、第２の電極１０５は第２の基板１０６上であって、第１の電極１０４に対向する位置に形成される。
【００２８】
第１の構造体１０７と第２の構造体１０８は、第１の電極１０４と第２の電極１０５が向かい合うように、位置決めして、互いに接続される。より具体的には、図１に示す形態においては、第１の電極１０４の導体部１０４ａが存在しない部分（略正方形の空白部）と、第２の電極１０５の導体部１０５ａとが重なり、かつ、第２の電極１０５が形成された領域が第１の電極１０４が形成された領域からはみ出ないように、２つの構造体１００および１０８は位置決めされる。
【００２９】
２つの構造体１０７および１０８の接続は、固定構造体１０３の一部またはすべての領域が、第２の基板１０６と接続されるように行う。接続は接着剤等を用いて行ってよく、または共晶接合を利用して行ってよい。あるいは、２つの対向する電極間の距離を所望のように制御可能である限りにおいて、他の接続手段（例えば、はんだ）を用いてよい。このように第２の基板１０６と固定構造体１０３を固定することによって、第１の基板１０１上に形成された第１の電極１０４は、第２の基板に対して相対的に変位可能な構造となる。
【００３０】
第１の電極１０４と第２の電極１０５との間の距離は、固定構造体１０３および後述するエレクトレットの寸法にもよるが、一般には、数μｍ〜数１００μｍ、特に、数μｍ〜３０μｍ程度に設定される。２つの電極間の距離は、各電極を構成する導体部またはその上に他の層が形成されている場合には当該層の表面間の距離である。
【００３１】
第１の基板１０１および第２の基板１０６は、例えば、ガラス基板、半導体基板が利用可能である。半導体基板は、例えば、高抵抗シリコン半導体基板、ＳＯＩ基板を用いてよい。
【００３２】
次に電極配置についての説明を行う。第１の電極１０４および第２の電極１０５は、複数の略正方形の導体部１０４ａおよび１０５ａを有する。これらの導体部１０４ａおよび１０５ａは図１（ａ）および（ｂ）に示すように市松格子状（またはチェッカー）に配置されている。すなわち、１つの列に略正方形の導体部１０４ａ（または１０５ａ）と空白部（導体部１０４ａ（または１０５ａ）がない部分）が交互に配置され、次の列では前の列の導体部１０４ａ（または１０５ａ）に空白部が配置され前の列の空白部の隣に導体部１０４ａ（または１０５ａ）が配置されている。第１の電極１０４において、導体部１０４ａは、その四隅（４つの角）で他の導体部１０４ａと、電気的に接続されている。第２の電極１０５においては、第１の電極１０４とは異なり、導体部１０５ａの面積が、上下左右に位置する導体が存在しない部分（図１において、ハッチングした部分の間に位置する白い部分）の面積よりも小さいため、四隅の少なくとも１つを細い導体部（配線電極）で接続することにより、導体部１０５ａ全体の電気的な接続を確保している。図示した形態において、導体部１０５ａは、Ｘ軸およびＹ軸方向に延びる共通配線１０５ｂに接続され、共通配線１０５ｂは、外部へ電力を出力するために用いられる。
【００３３】
第１の電極１０４および第２の電極１０５（即ち、それらの導体部１０４ａおよび１０５ａ）は、導電性を有する材料から成る。導電性を有する材料は、銅、銀、金、鉄、もしくはアルミニウム、またはこれらの金属から成る合金、または不純物をドーピングしたシリコンもしくはポリシリコンであってよい。第１の電極１０４および第２の電極１０５の導体部は、配線基板の分野で用いられているパターニングの手法（導電膜の形成と、エッチングによる所定のパターンの形成を含む）により形成してよい。あるいは、電極の導体部は、例えば、マスクを用いた、スパッタリング法、蒸着法、またはＣＶＤ法で形成してよい。
【００３４】
次に、第１の電極１０４を構成する、電荷を保持した膜（即ち、エレクトレット）についての説明を行う。第１の電極１０４は、導体部１０４ａとともに、電荷を保持した膜状のエレクトレットを有する。エレクトレットを構成する材料としては、ポリプロピレン、ポリエステルテレフタレート、およびポリビニルクロライドなどの高分子材料、或いは酸化シリコンなどの無機材料が挙げられる。図示した形態を含む、本発明の振動発電器においては、エレクトレットの材料として、絶縁耐圧および耐熱性に優れた酸化シリコンを用いることが望ましい。
【００３５】
また、耐湿性を向上させるため、酸化シリコンは、シリコン窒化膜等の絶縁膜によって、その周囲が完全に覆われるようにすることが望ましい。即ち、酸化シリコンの膜のいずれの面（上面、下面および側面）も露出せず、かつ他の膜もしくは基板と直接接触しないように、酸化シリコン膜を、絶縁膜で封止することが好ましい。そのような構成の詳細は、後述する。
【００３６】
上記のように構成された振動発電器の動作についての説明を行う。
振動発電器１００は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体１０２Ｘおよび／または１０２Ｙが伸縮し、それにより第１の基板１０１がＸ軸方向またはＹ軸方向に振動して、第２の基板１０６に対して相対的に変位する。この相対的な変位は、第１の電極１０４の導体部１０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａ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、第２の電極１０５に誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減が電気エネルギーとして取り出され、電力が発生する。また、第１の基板１０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続く。
【００３７】
本発明の実施の形態にかかる振動発電器１００によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）外部から力または振動が加えられると、発電効率を低下させることなく、Ｘ軸方向、及びＸ軸と垂直な方向（Ｙ軸方向）における基板の振動を電力に変換することが可能である。
（２）エレクトレット電極の電気的な接続が容易である。
【００３８】
上記（１）の効果について詳細な説明を行う。第１の電極１０４、および第２の電極１０５は、その導体部１０４ａおよび１０５ｂが市松格子状(チェッカーボード状)に配置されたパターンを有する。また、第１の基板１０１が、Ｘ軸方向に振動した場合の導体部の重なり面積の増減は、Ｙ軸方向に振動した場合の重なり面積の増減とほぼ同じである。そのため、Ｘ軸方向に振動する場合の発電量と、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に振動する場合の発電量が同じとなる。
【００３９】
簡単のため、２つの基板において発電に寄与する電極領域のＸ軸方向およびＹ軸方向の寸法が同一であり（即ち、導体部が市松格子状に配置された、電極全体の形状が略正方形であり）、エレクトレット電極による電荷の誘起は、２つの電極の導体部が対向する位置にあるときのみであると仮定する。本実施の形態の振動発電器において、電極の重なり面積が最大である（即ち、第１の電極１０４の導体部１０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａとが完全に重なっている）ときの値を１００、最小であるとき（即ち、第１の電極１０４の導体部１０４ａが、第２の電極１０５の導体部１０５ａが存在しない格子と重なっている）ときの値を０とした場合、第１の基板１０１がＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれに振動しても、重なり面積の最大値は１００となり、最小値は０となる。換言すれば、本実施の形態の振動発電器によれば、発電効率を低下させることなく、２軸方向の外部からの振動を、電力に変換することが可能となる。
【００４０】
次に、上記（２）の効果について、図２を参照して説明を行う。第１の電極１０４は、例えば、基板上に、膜状の導電部１１１（図１の１０４ａに相当）が市松格子状に配置され、図２に示すような市松格子状に配置された導電部１１１は、その四隅が他の導電部１１１と接しているので、互いに電気的に接続されている。あるいは、導電部は、図１の（ｂ）に示すように、四隅が互いに接していない場合には、細い導体部（配線電極）を介して接続してよい。導電部１１１上に、シリコン窒化膜１１２、シリコン酸化膜１１３、シリコン窒化膜１１４が積層して配置される。エレクトレットとなるシリコン酸化膜１１３は、シリコン酸化膜１１３の形成前にシリコン窒化膜１１２を先に形成し、シリコン酸化膜１１３を形成後にシリコン窒化膜１１４を形成することによって、シリコン窒化膜１１３により完全に覆われるようにすることが好ましい。それにより、シリコン酸化膜の耐湿性が向上し、エレクトレットに帯電した電荷の抜けが防止される。
【００４１】
上記材料で膜を形成するだけでは、エレクトレットとして機能しない。エレクトレットとして機能させるには、エレクトレットの材料で膜を形成した後、当該膜に電荷を注入する工程（着電）が必要となる。着電において、導電部が共通電位となるように形成されていれば、良好なデバイス特性を得ることができる。
【００４２】
図２には示していないが、シリコン窒化膜１１２、１１４は、導電部１１１が外部端子と電気的接続が可能なように形成する。少なくとも、シリコン酸化膜１１３を覆うように、シリコン窒化膜１１２、１１４が形成されている限りにおいて、シリコン窒化膜１１２、１１４は、基板全面に成膜する必要はなく、導電部の一部を露出させるように形成してよい。
【００４３】
シリコン酸化膜（エレクトレット）１１２は、導電部１１１と同様に市松格子状に形成され、かつ図示するように、導電部１１１の一部を覆うように（即ち、上から見たときに、導電部１１１よりも小さい面積を有するように）形成される。そのようにエレクトレットを形成することは、プロセスおよびデバイス特性の安定性から望ましい。
【００４４】
図１においては、導電部が市松格子状に配置された、第２の電極を、基板上に１組配置した。変形例において、第２の電極は、図３に示すように、２組配置してもよい。図３において、符号１２５ａは、電極群Ａを指し、符号１２５ｂは、電極群Ｂを指す。電極群ＡおよびＢとも、導電部が市松格子状に配置された構成を有し、電極群Ａ１２５ａの導電部は、電極群Ｂ１２５ｂの導電部が位置しない格子に配置されている。よって、図示するように、第２の基板において、導電部で覆われる面積は、図１に示す形態のそれの約２倍となっている。
【００４５】
２つの電極群をこのように配置すると、電極群Ａ１２５ａから、電圧の位相が、電極群Ｂ１２５ｂから出力される電力の電圧の位相とは１８０度異なる、電力が出力される。また、電極群Ａ１２５ａと電極群Ｂ１２５ｂのそれぞれの電極端子を、全波整流回路に接続すると、１つの電極群を使用する場合の電圧の２倍の直流電圧を得ることができる。
【００４６】
また、各電極群からの出力を一旦ＤＣ変換した後に回路上で１つにまとめると、２倍の電荷を取り出すことが可能となる。このように、第２の電極を、複数の電極群で構成することによる利用上の効果は大きい。
【００４７】
図１に示す形態において、第２の電極は、それが形成された領域の外接面積が、第１の電極のそれと略同じとなるように形成した。ここで、「第２の電極が形成された領域の外接面積」とは、即ち、上面から見たときに、第２の電極を構成する導体部を全て含む矩形ないしは正方形であって、最小の面積を有するもののその面積をいう。換言すれば、第２の電極全体の概略形状および第２の電極を構成する導体部の数は、第１の電極のそれらと同じである。
【００４８】
図１に示す形態の好ましい変形例において、第２の電極が形成された領域の外接面積は、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい。そのような変形例を、図４に示す。図４に示すように、第１の電極が形成された領域を超えた領域に、第２の電極２０６を、第２の基板２０５上に形成することが望ましい。最も好ましくは、第２の電極が形成された領域の外接面積は、第１の基板２０１の振動限界まで及ぶ。
【００４９】
このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
（３）重なり面積の有効領域を一定にすることが可能である。
第１の基板が大振幅で振動を行った場合、図１に示す電極構成が採用されていると、第２の電極が形成されていない領域では、電極の重なりが生じないため、重なり面積の有効面積が減少するという問題が発生する。しかしながら、図４に示すように、第２の電極が形成された領域の外接面積を、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きくすることによって、重なり面積の有効領域は常に一定とすることができる。その結果、前述の重なり面積の最大値１００、最小値０を維持することができる。
【００５０】
図４に示すような構成は、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向において振動可能な第１の基板を有する形態のみならず、１軸方向にのみ第１の基板が振動可能である、振動発電器においても有効である。特に、弾性構造体が小さいばね定数を有し、僅かな力によって大きく変形するものである場合に、この構成は有効である。また、第１軸方向および／または第２軸方向において、第１の基板が、振動方向の導電部の寸法よりも大きく変位して振動するような振動発電器においても、この構成は有効である。よって、この構成は、例えば、前記特許文献１および２に記載された振動発電器にも適用することができる。
【００５１】
本実施の形態では、第１の基板上に膜状のエレクトレットを含む電極を構成した形態を示した。第２の基板上に膜状のエレクトレットを含む電極を構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、エレクトレットの有無にかかわらず、第２の基板を、固定構造体に、弾性構造体により接続してよい。その場合、第１の電極が形成される領域の外接面積が、第２の電極が形成される領域の外接面積よりも大きくなるように、２つの電極を構成することが好ましい。
【００５２】
さらに、図５に示す振動発電器３００のように、第１の基板３０１は、矩形（長方形）であってもよい。その場合、第２の基板も同様に矩形であることが好ましい。あるいは、導電部が市松格子状に配置される限りにおいて、第１の基板は、他の形状であってもよく、その場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
なお、本実施の形態では、エレクトレットをシリコン酸化膜とした例を示した。シリコン酸化膜は、正電荷にも負電荷にも帯電することができる。そのため、第１の電極を、図２に示すごとく、２組配置して、一方の電極群に属するエレクトレットは正の電荷に、他方の電極群に属するエレクトレットは負の電荷に帯電させることで、振動による出力電力をさらに向上させることが可能となり、有用である。
【００５４】
また、導電部は、正方形でなく、長方形であってよい。その場合には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向で同じ発電量を得るには、第１の基板（または第２の基板）のＸ軸方向およびＹ軸方向の振動振幅を、長方形の長辺または短辺の長さに応じて、重なり面積の最大値が１００となり、最小値が０となるように、選択する。
【００５５】
本発明の振動発電器は、第１および第２の電極において、１つの軸方向（軸方向α）およびそれとは異なる軸方向（軸方向β）において、それぞれ一定の幅を有する幾何学図形（例えば、菱形および平行四辺形）の導電部が、市松格子状に配置されているものであってよい。その場合、第１の基板または第２の基板は、軸方向αおよびβにおいて、振動可能なように、弾性構造体を用いて、固定構造体に接続される。
【００５６】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における振動発電器４００の上面図、Ａ−Ａに沿って切断した断面図、およびＢ−Ｂに沿って切断した断面図を示す。本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、第１の基板をＸ軸方向で振動させる弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数が、第１の基板をＹ軸方向で振動させる弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数とは、異なっている点である。ばね定数の違いを概念的に示すために、弾性構造体４０２Ｘのばねの個数を、弾性構造体４０２Ｙのばねの個数と異なるように図示している。弾性構造体が、必ずしもばねである必要はなく、エラストマー材料で形成されてよく、あるいは半導体基板の加工により形成してよいことは、前述したとおりである。
【００５７】
本実施の形態のように、Ｘ軸方向の振動を担う弾性構造体のばね定数ｋＸと、Ｙ軸方向の振動を担う弾性構造体のばね定数ｋＹとが異なっている振動発電器の動作について、以下に説明する。
【００５８】
振動発電器４００は、外部からの力または振動を受けて、第１の基板が振動することにより、第１の基板が第２の基板に対して変位し、変位の結果、生じる電荷の変化を第２の電極が検出して発電を行う。その際、第１の基板と弾性構造体により決定される共振周波数の外部振動に対して、第１の基板は特に大きな振幅で振動を行う。弾性構造体４０２Ｘおよび４０２Ｙのばね定数を互いに異なるようにすれば、振動発電器４００のＸ軸方向、及びＹ軸方向の共振周波数が、異なる値となる。その結果、例えば、斜め方向（Ｘ軸と９０度以外の角度を形成する方向）において、ある周波数の外部振動が加わった場合においても、Ｘ軸方向、またはＹ軸方向のどちらか一方において、第１の基板を、強制的に振動させることが可能となる。
【００５９】
したがって、図４に示す形態の構成は、以下のような効果をもたらす。
（４）発電量の低下を防ぎ、振動発電器の利用可能範囲を拡大させる。
【００６０】
上記（４）の効果について説明を行う。先に、本実施の形態の振動発電器の動作について説明したように、弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数と、弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数とを互いに異ならせることによって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数を異ならせることができる。振動発電器は外部からの力又は振動により、第１の基板が振動することにより発電するため、共振周波数が異なれば、同じ周波数の振動に対して、どちらか一方の方向において強制的に励振されることとなる。その結果、市松格子状に導電部を配置した電極構成を採用した場合に、第１の基板を斜め方向に変位させる力が外部から加わっても、発電量が極端に低下することがない。このことは、特定の周波数領域、或いは特定の方向の外部振動以外の領域において、発電量の低下を低減することを可能とし、もって利用可能範囲を拡大することを可能にする。
【００６１】
本実施の形態においても、第２の電極が形成される領域の外接面積は、第１の電極が形成される領域の外接面積よりも大きく、第２の電極は、振動限界まで形成されている。このように電極を構成することにより、この形態の振動発電器は、第１の基板が大きい振幅で振動しても、発電量を低下させることなく、動作できる。
【００６２】
第１の基板をＸ軸方向に振動させる弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数ｋＸと第１の基板をＹ軸方向に振動させる弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数ｋＹとが異なることの技術的意義をより具体的に以下に説明する。
【００６３】
図７は、所定の条件で歩行した際に生ずるＸ軸方向の振動の加速度パワースペクトルとＹ軸方向の加速度パワースペクトルとの測定例を示すグラフである。図中に示すように上のスペクトルがＸ軸方向の振動に対応し、下のスペクトルがＹ軸方向の振動に対応する。
グラフの横軸は任意単位で示す周波数であり、縦軸は任意単位で示す加速度のパワースペクトルであり、横軸、縦軸は対数表示となっている。
【００６４】
Ｘ軸方向の振動は、図７中に「基本周波数」で示した周波数に加速度パワースペクトルの最大ピークを有し、一方Ｙ軸方向の振動は、図中に「基本周波数×２」で示した基本周波数の２倍の周波数に加速度パワースペクトルの最大ピークを有している。つまりＸ軸方向とＹ軸方向で加速度パワースペクトルが最大となる周波数は異なる。
【００６５】
しかし、Ｘ軸方向の振動の加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数にＹ軸方向の振動もパワースペクトルの大きなピークを有している。また、Ｙ軸方向の振動の加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数の２倍の周波数にＹ軸方向の振動もパワースペクトルの大きなピークを有している。
表１は、Ｘ軸方向の振動の基本周波数での加速度パワースペクトルを１００とした場合のＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの基本周波数および基本周波数の２倍の周波数（図７の「基本周波数×２」）での加速度スペクトルの大きさを示す。
【００６６】
【表１】
2010035507.tif 000003
【００６７】
これらの結果は、例えばＹ軸方向の振動加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数の２倍の周波数で共振が起こるように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹとを設定すると第１の基板はＸ軸及びＹ軸の両方向に共振してしまい、本願発明の特徴であるＸ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方にのみ振動させることで発電効率を高めるという目的に反し、発電効率が低下する場合があることを示している。
【００６８】
同様に、Ｘ軸方向の振動加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数で共振が起こるように弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹとを設定しても第１の基板はＸ軸及びＹ軸の両方向に共振し発電効率が低下してしまう。
【００６９】
図７のグラフから、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の基本周波数および基本周波数の２倍の周波数にある加速度パワースペクトルの大きなピークは、何れも半値幅がその周波数の概ね３０％以内であることがわかる。従って、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹを設定することで、共振の発生をＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方とし、発電効率を大幅に向上することができる。
共振の発生をより確実にＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方に制限するように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±２０％以上離すように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹを設定することがより好ましい。
より具体的には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方の共振周波数の定数倍の周波数に対して±１５％以上、或いはより確実にいずれか一方に制限するために±２０％以上共振周波数を離すように設定を行う。
【００７０】
なお、このようにＸ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上または±２０％以上離すように、Ｘ軸方向の振動をもたらす弾性構造体のバネ定数ｋＸとＹ軸方向の振動をもたらす弾性構造体のバネ定数ｋＹを設定することは実施の形態１で示した全ての振動発電器において適用可能であることは明らかである。
【００７１】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３にかかる振動発電器７００の第１の構造体７０７の上面図である。
図１と同様に図８においても、理解の容易のため、第１の構造体７０７に形成された第１の電極７０４を示している。実際の振動発電器においては、第１の電極７０４は第１の基板の下面に配置されて第２の電極と対向しているため、上面から見た外観には現れない。
【００７２】
図８では振動発電器７００に用いる第２の構造体の記載を省略してある。振動発電器７００の第２の構造体は、例えば、図１に示した振動発電器１００の第２の構造体１０８と同じ構成の構造体を含む本明細書に示すいずれの第２の構造体を用いてもよい。
【００７３】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、固定構造体７０３と第１の基板７０１との間に可動構造体７０５を有していることである。
可動構造体７０５は、Ｙ軸方向の振動に寄与する弾性構造体７０２Ｙを介して固定構造体７０３とＹ軸に略平行に接続され、またＸ軸方向の振動に寄与する弾性構造体７０２Ｘを介して第１の基板７０１とＸ軸に略平行に接続されている。
【００７４】
このような構造を有することにより、振動発電器７００は弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのばね定数が同じ場合においてもＸ軸方向の共振周波数とＹ軸方向の共振周波数を異ならせることができ、従って高い効率で発電を行うことが可能となる。
【００７５】
すなわち、Ｘ軸方向に振動する場合、弾性構造体７０２Ｘは、第１の基板７０１を振動させる。一方、Ｙ軸方向に振動する場合、弾性構造体７０２Ｙは、第１の基板７０１に加えて弾性構造体７０２Ｘと可動構造体７０５とを振動させる。すなわち、例え弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのばね定数が同じであっても振動させる対象物の質量（合計の質量）が異なることからＸ軸方向の振動の共振周波数とＹ軸方向の振動の共振周波数とを異なるものとすることができる。
【００７６】
振動発電器７００をこのような構造にすることで、第１の基板７０１（すなわち第１の電極７０４）の振動方向をＸ軸方向またはＹ軸方向の何れか一方に明確に制限（分離）することができる。
なお、例えば弾性構造体７０２Ｘと７０２Ｙのばね定数、或いは可動構造体７０５の質量を調整する等により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように、振動発電器７００を構成するのが好ましい。Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±２０％以上離すように、振動発電器７００を構成するのがより好ましい。
【００７７】
また、弾性構造体７０２Ｘおよび弾性構造体７０２Ｙは、実施の形態１の弾性構造体１０２Ｘおよび１０２Ｙと同じ、構造および同じ材料から構成されてよい。
さらに、例えば、電極の配置、第１の構造体７０７と第２の構造体（例えば第２の構造体１０８）との接続、第１の電極７０４と第２の電極（例えば第２の電極１０５）との間の距離、第１の基板７０１および第２の基板（例えば第２の基板１０６）を構成する材料および第１の電極７０４のような、振動発電器７００の上述した以外の構成は第１の実施形態または第２の実施形態に示した構成を用いてよい。
弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのバネ定数は上述のように同じでもよく、またＸ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように構成されていれば異なっていてもよい。
【００７８】
上記のように構成された振動発電器７００の動作についての説明を行う。
振動発電器７００は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体７０２Ｘおよび／または７０２Ｙが伸縮し、それにより第１の基板７０１がＸ軸方向またはＹ軸方向に振動して、第２の基板（ここでは第２の基板１０６を例として用いる）に対して相対的に変位する。
この相対的な変位は、第１の電極７０４の導体部７０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａ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、第２の電極１０５に誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減が電気エネルギーとして取り出され、電力が発生する。また、第１の基板７０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続く。
【００７９】
実施の形態３にかかる振動発電器７００は、実施の形態１に係る振動発電器と比較して以下のようなより優れた効果を得ることができる。
（１）Ｘ軸方向、及びＸ軸と垂直な方向（Ｙ軸方向）の振動を分離して振動体に加えることができ、他方の振動（或いは、弾性構造体）の影響を受けにくくすることが可能である。
（２）Ｘ軸方向およびＹ軸方向の一方の振動は他方の振動に対し変位が規定されるため、振動エネルギーと電気エネルギーの変換時において、他方の振動の影響を受けにくい。
【００８０】
上記（１）の効果についてより詳細な説明を以下に行う。
Ｘ軸方向の振動が外部から与えられた場合、振動は固定構造体７０３、弾性構造体７０２Ｙを介して可動構造体７０５に伝えられる。しかし弾性構造体７０２ＹはＹ軸方向に強制的に弾性変形する構造であるため、弾性構造体７０２Ｙは外部より与えられた振動による弾性変形はほとんど無く、外部より与えられた振動は、弾性構造体７０２Ｙおよび可動構造体７０５を介してそのまま、弾性構造体７０２Ｘに伝わる。そして、弾性構造体７０２Ｘを振動（周波数によっては共振させ）させてこの振動が第１の基板７０１に伝えられる。すなわち、第１の基板７０１は、弾性構造体７０２Ｙの影響を受けることなく振動することで、振動発電器７００はあたかもＸ軸方向の振動のみで動作する発電器のように動作する。
【００８１】
逆に、Ｙ軸方向の振動が外部から与えられた場合、振動は固定構造体７０３を介して、弾性構造体７０２Ｙに伝わる。そして、弾性構造体７０２Ｙを振動（周波数によっては共振）させ、この振動が可動構造体７０５に伝われる。ここで、弾性構造体７０２ＸをＸ軸方向に強制的に弾性変形する構造とすることで可動構造体７０５に伝えられた振動は弾性構造体７０２Ｘを介して、そのまま第１の基板７０１に伝えられ、あたかも可動構造体７０５、弾性構造体７０２Ｘ、第１の基板７０１が１つの基板のように一体となって振動する。
【００８２】
つまり、第１の基板７０１は、弾性構造体７０２Ｘの影響を受けることなく振動することで、振動発電器７００はＹ軸方向の振動のみで動作する発電器として動作する。
換言すれば、本実施の形態の振動発電器７００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の振動を実施の形態１の振動発電機と比較して、より明確に分離して動作することが可能となる。
なお、このようにＸ軸方向、或いはＹ軸方向のどちらか一方のみに強制的に弾性変形する弾性構造体の一例について、図１０を用いて後述する。
【００８３】
次に、上記（２）の効果について説明する、
図８に示すように、固定構造体７０３と可動構造体７０５は、Ｘ軸方向において狭い空間で配置される。また、可動構造体７０５と第１の基板７０１とはＹ軸方向において狭い空間で配置される。このように配置することで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のうちの一方の振動は他方の振動の影響を受けても他方の振動の変位を小さくすることができ、電極の重なり度合いを確保して、発電効率が低下することが防止できる。
【００８４】
さらに、実施の形態１（図５）で示したのと同様に、第１の基板７０１は、矩形（長方形）であってもよい。その場合、第２の基板も同様に矩形であることが好ましい。あるいは、導電部が市松格子状に配置される限りにおいて、第１の基板７０１は、他の形状であってもよく、その場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
なお、本実施の形態では、エレクトレットをシリコン酸化膜として用いるのが好ましい。シリコン酸化膜は、正電荷にも負電荷にも帯電することができる。そのため、第１の電極７０４を、例えば図２に示すように、２組配置して、一方の電極群に属するエレクトレットは正の電荷に、他方の電極群に属するエレクトレットは負の電荷に帯電させることで、振動による出力電力をさらに向上させることが可能となるからである。
【００８５】
また、導体部は、正方形でなく、長方形であってよい。その場合には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向で同じ発電量を得るには、第１の基板（または第２の基板）のＸ軸方向およびＹ軸方向の振動振幅を、長方形の長辺または短辺の長さに応じて、重なり面積の最大値が１００となり、最小値が０となるように選択する。
【００８６】
図８に示す実施形態では、エレクトレット有する第１伝の基板７０１を振動させ、第２の基板を固定している。しかしながら、エレクトレットを有する第１の基板を固定構造体７０３に固定し、第２の基板（例えば第２の基板１０６）を弾性構造体７０２Ｘと接続して振動させる実施形態も当然に本実施形態に含まれる。
【００８７】
・変形例
図９は、本発明の実施の形態３の変形例である振動発電器８００の第１の構造体８０７の上面図である。
図８と同様に図９においても、理解の容易のため、第１の構造体８０７に形成された第１の電極８０４を示している。実際の振動発電器８００においては、第１の電極８０４は第１の基板の下面に配置されて第２の電極は対向しているため、上面から見た外観には現れない。
【００８８】
図９では振動発電器８００に用いる第２の構造体の記載を省略してある。振動発電器８００の第２の構造体は、例えば、図１に示した振動発電器１００の第２の構造体１０８と同じ構成の構造体を含む本明細書に示す各種の第２の構造体を用いることができる。
【００８９】
振動発電器８００は、固定構造体８０３と第１の基板８０１との間に、第１の可動構造体８０５ａと第２の可動構造体８０５ｂの２つの可動構造体を有していることが振動発電機７００と異なる。
【００９０】
第１の可動構造体８０５ａは、Ｙ軸方向の振動に寄与する弾性構造体８０２Ｙ２を介して固定構造体８０３とＹ軸に略平行に接続され、またＹ軸方向の振動に寄与する別の弾性構造体８０２Ｙ１を介して第２の可動構造体８０５ｂとＹ軸に略平行に接続されている。
【００９１】
第２の可動構造体８０５ｂは、Ｘ軸方向の振動に寄与する弾性構造体８０２Ｘを介して、内側に位置する第１の基板８０１とＸ軸に略平行に接続されている。
【００９２】
上術した構成以外の第１の基板８０１および第１の電極８０４を含む振動発電器８００の他の構成は、振動発電機７００と同じでよい。
【００９３】
振動発電器８００は、振動発電器７００が有する利点に加えて、Ｙ軸方向の振動において共振する周波数の数を増加できるという利点がある。
【００９４】
Ｙ軸方向の振動には弾性構造体８０２Ｙ１と弾性構造体８０２Ｙ２の２つの弾性構造体が寄与する。
このため、Ｙ軸方向の振動については２つの異なる共振周波数を有することができる。
これは、Ｙ軸方向に対して第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、可動構造体８０５ｂで構成される質点と、可動構造体８０５ａで構成される質点が弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２で接続されることで、２つの質点が独立に振動することが可能であるからである。
【００９５】
Ｙ軸方向に２つの異なる周波数を有することは、振動発電器８００に外部から振動が加わった際に、外部からの振動に対して、より広い周波数域でＹ軸方向の共振が起こることを意味する。従って、外部振動に対してより広い周波数領域で発電を行うことができる。
【００９６】
Ｙ軸方向の２つの共振周波数は、例えば図７の歩行の例を基に、弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２のばね定数、或いは可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量を調整することにより基本周波数と基本周波数×２の２つの周波数に共振周波数を一致するように設定するのが好ましい。このように設定することで、第１の基板８０１をより大きく変位させることができ、振動発電器８００からより多くの電力を出力することが可能となる。
また、図７の歩行時の振動例を基に、弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２のばね定数、或いは可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量を調整することにより第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、可動構造体８０５ｂの質量と弾性構造体８０２Ｙ１のばね定数で決まる共振周波数と、第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、８０２Ｙ１、可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量と、弾性構造体８０２Ｙ２のばね定数で決まる共振周波数とを異なるように設定することも可能である。このように設定することで、複数の外部からの振動に対して、第１の基板８０１を変位させることができ、より広い周波数領域において振動発電器８００から電力を出力することが可能となる。
【００９７】
なお、例えば可動構造体の数を増加させる等により、Ｘ軸方向に配置する弾性構造体を配置し、Ｘ軸方向の振動の共振周波数を２つ以上としてもよい。また、例えば可動構造体、弾性構造体の数を増加させる等により、Ｙ軸の方向の共振周波数を３つ以上としてもよい。
【００９８】
図１０は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方向のみに弾性変形する弾性構造体の具体例を含む振動発電器８１０の第１の構造体８１７の上面図である。
振動発電器８１０は、図９に示す振振動発電８００と同様の構成を有しており、同じ構成を有する部材については、図９と同じ番号を付してある。
また、以下に詳述する弾性構造体の配置が容易に認識できるように、図１０では、固定構造体８０３、第１の可動構造体８０５ａ、第２の可動構造体８０５ｂおよび弾性構造体８１２Ｘ、８１２Ｙ１、８１２Ｙ２にはハッチングを付して示した。
【００９９】
弾性構造体８１２Ｘは、Ｙ軸方向に延在した細長い梁構造を有しており、（図１０の例では４箇所に配置されている）、弾性構造体８１２Ｙ１および弾性構造体８１２Ｙ２は、Ｘ軸方向に延在した細長い梁構造を有してしている（図１０の例では弾性構造体８１２Ｙ１および弾性構造体８１２Ｙ２はそれぞれ４箇所に配置されている）。
このような梁構造が撓むことにより弾性構造体８１２Ｘは、Ｘ軸方向に弾性変形可能であるが、Ｙ軸方向には、ほとんど弾性変形しない。同様に弾性構造体８１２Ｙ１、８１２Ｙ２はX軸方向にはＹ軸方向に弾性変形可能であるが、X軸方向には、ほとんど弾性変形しない。また、弾性構造体８１２Ｘ、８１２Ｙ１、８１２Ｙ２はＺ軸方向に対しても、例えば梁の厚さ（Ｚ方向の幅）を、Ｘ軸方向（８１２Ｘについて、）またはＹ軸方向（８１２Ｙ１および８１２Ｙ２について）の梁の幅に対して十分に大きくすることで弾性変形を小さくすることが可能である。
【０１００】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態３として、振動発電装置を説明する。図１１は、振動発電装置５００のブロック図である。図１１において、振動発電器は、実施の形態１から実施の形態３の何れかに示された振動発電器である。
【０１０１】
図１１において、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の出力電圧レベルまで、電圧変換に付される。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。
【０１０２】
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１２を参照して説明を行う。図１２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１２の（ａ）は、振動発電器５０１の出力電圧波形である。本実施の形態では、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１２（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。
【０１０３】
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１２（ｃ））。
【０１０４】
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５００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。
【０１０５】
（実施の形態５）
図１３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１３において、発電装置は、実施の形態４の振動発電装置を示す。
【０１０６】
図１３において、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。
【０１０７】
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。
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、或いは電池６０２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。
【０１０８】
このように作動する通信装置において、振動発電装置を通信装置の電源として利用する場合、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。
【０１０９】
本実施の形態では、振動発電装置と電池とを併用する例を示した。振動発電装置からの出力電力が、圧力センサ、処理部、通信部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まかなうことができれば、振動発電装置のみを電源として用いてよい。その場合、電池、及び電源制御部が不要となり、機器の小型化の点で有利である。
【０１１０】
本実施の形態では、実施の形態１から３に示す振動発電器、および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。
【０１１１】
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、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において、使用することができる。
【０１１２】
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る。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の振動発電器は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２つの方向に振動して、発電を行うことができ、かつ、いずれの方向においても、従来の１軸方向の振動発電器と同等の出力で発電できるので、静電誘導型振動発電器として有用である。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は非常に有用である。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  振動発電装置
１０１  第１の基板
１０２Ｘ、１０２Ｙ  弾性構造体
１０３  固定構造体
１０４  第１の電極
１０５  第２の電極
１０６  第２の基板
１０７  第１の構造体
１０８  第２の構造体
５００  振動発電装置
６００  通信装置
【図１】
2010035507.tif 000004
【図２】
2010035507.tif 000005
【図３】
2010035507.tif 000006
【図４】
2010035507.tif 000007
【図５】
2010035507.tif 000008
【図６】
2010035507.tif 000009
【図７】
2010035507.tif 000010
【図８】
2010035507.tif 000011
【図９】
2010035507.tif 000012
【図１０】
2010035507.tif 000013
【図１１】
2010035507.tif 000014
【図１２】
2010035507.tif 000015
【図１３】
2010035507.tif 000016
【図１４】
2010035507.tif 000017
【図１５】
2010035507.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成22年10月15日(2010.10.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発電器、振動発電装置、振動発電装置を搭載した通信装置に関し、特に、エレクトレットを用いた静電誘導型振動発電器、振動発電装置、及びこの振動発電装置を搭載した通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
可変容量の一方の電極に電荷を与え、対向する電極へ静電誘導により電荷を誘起し、容量の変化により、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は、既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図１４に、前記特許文献１に記載された、静電誘導型振動発電器を示す。図１４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。
【０００４】
この静電誘導型発電器１０は、複数の導電性表面領域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１５を備えた第２の基板１６とで構成される。前記第１の基板１１と、前記第２の基板１６は、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は固定構造１７にバネ１９を介して連結されている。バネ１９は、第１の基板１１の両側面に接続されるとともに、固定構造１７に接続されている。このバネ１９により、第１の基板１１は定位置に戻ることができ、或いは、第１の基板１１は側方運動（例えばＸ軸方向運動）を行い、定位置に戻ることができる。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。
【０００５】
しかしながら、図１４の静電誘導型振動発電器において、第１の基板はＸ軸方向（図中矢印１８の方向）以外の方向において振動しないように規制されている。そのため、この静電誘導型振動発電器１００は、Ｘ軸方向以外の方向の外部振動を電気エネルギーとして取り出すことができない。この問題を解決するため、多方向の外部振動を発電に利用可能な静電誘導型振動発電器が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
図１５に、前記特許文献２に記載された、静電誘導型振動発電器を示す。図１５は、エレクトレットを用いた振動発電器の概略断面図である。
【０００７】
図１５に示す、振動発電器２０において、エレクトレット電極２２Ｃ、及び可動電極２５Ｃはそれぞれ、２次元アレイ配置された複数の電極パッド２２Ｌ、２５Ｌをそれぞれ含んでいる。そのため、可動電極２５ＣがＸ軸方向（矢印２７ａ）のみに一定距離だけ移動した時に生じる、可動電極２５Ｃとエレクトレット電極２２Ｃとの重なり面積の変化量を、可動電極２５ＣがＹ軸方向（矢印２７ｂ）のみに前記一定距離だけ移動した時に生じる、前記重なり面積の変化量と同じにすることが比較的容易である。また、図１５に示す振動発電器は、Ｘ軸方向とＹ軸方向について互いに同じ距離だけ変位したときの発電量を等しくすることができ、Ｘ軸方向だけでなく、Ｙ軸方向の外部振動に対しても発電を行うことができる構造である。
【０００８】
エレクトレットそれ自体は、既に、公知のものである。例えば、有機系の高分子重合体（ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロエチレンの共重合体）は、エレクトレットの材料として既に知られている。また、無機材料として、シリコン酸化膜が知られており、さらに、シリコン酸化膜を絶縁膜で覆って、電荷の抜けを防止する構成が提案されている（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特表２００５−５２９５７４号公報（第１０−１１頁、図４）
【特許文献２】特開２００８−８６１９０号公報（第６−７頁、図６）
【特許文献３】国際公開第２００５／０５０６８０号パンフレット（第２頁、図３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、前記特許文献２に示す振動発電器においては、ＸＹ平面内の任意の方向の振動を電力に変換するために、エレクトレット電極２２Ｃの周囲にはエレクトレット電極は配置されない構造となる。その結果、同一サイズの振動発電器と比較して、エレクトレット電極の配置可能な領域（エレクトレット電極の総面積）が減少する。そのため、一つの振動方向（Ｘ軸、またはＹ軸方向のみ）における発電量を比較すると、特許文献１に記載の構成のものよりも、発電量が減少するという課題を有していた。
【００１１】
また、特許文献２に記載の振動発電器においては、エレクトレット電極が分割されているために、貫通配線等を行う必要がある。そのことは、構造およびプロセスが複雑になる等の課題をも生じさせた。
【００１２】
本発明は、前記従来の振動発電器の課題を解決するためになされたものである。本発明は、特に、エレクトレット電極が配置される領域（即ち、エレクトレット電極の総面積）を増加させ、発電量が増加した振動発電器を提供することを目的とする。更に、本発明は、発電効率を改善した振動発電器を提供することを目的とする。更にまた、本発明は、そのような振動発電器を用いて、振動発電装置、及び振動発電装置を搭載した通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向している振動発電器を提供する。
【００１４】
本発明の振動発電器において、エレクトレット電極である第１の電極、及び検出電極である第２の電極は、長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有する。本発明の振動発電器は、基板に平行な面における第１軸方向（例えば、Ｘ軸方向）、または第１軸方向と垂直な方向（例えば、Ｙ軸方向）において、第１および第２の電極のいずれかが、外部から加えられた力によって振動し、それにより、第１の電極の導体部と第２の電極の導体部の重なり面積が変化することを利用して、発電を行う。本構成によって、エレクトレット電極と検出電極の重なり面積を増加することができ、その結果、振動による発電可能な領域を増加することができ、ひいては発電量を増加することができる。また、本構成によれば、エレクトレット電極を構成する導電部を、基板上で簡便に電気的に接続することが可能となり作製工数を低減することができる。  
【００１５】
本発明の振動発電器は、固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第１の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、構成を有してよい。
【００１６】
本構成によって、第１の基板の振動の共振周波数が、第１軸方向（Ｘ軸方向）と第２軸方向（Ｙ軸方向）で異なる値となり、第１の基板が第１軸方向および第２軸方向以外の方向（例えば、第１軸方向となす鋭角が４５度である、斜め方向）で変位すること防止できる。その結果、本発明の振動発電器において、発電量の低下を防ぐことができる。固定構造体を、第２の基板に、弾性構造体により接続する場合にも、弾性体のばね定数を上記と同様に選択することにより、同様の効果が得られる。
【００１７】
本発明はまた、
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向の少なくとも一方において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、複数の導体部が配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向しており、
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、振動発電器を提供する。
【００１８】
この構成によれば、第１の基板が第２の基板に対して大きく変位した場合においても、エレクトレット電極と検出電極の重なり面積を、初期状態（即ち、振動していない状態）の面積から変化させず、一定とすることができる。その結果、発電量を、第１の基板の変位量（または振幅）の大小にかかわらず、一定に保つことができる。
【００１９】
本発明はまた、前記本発明の振動発電器を含む、振動発電装置を提供する。本発明の振動発電装置は、従来のものと同程度の寸法（特に、電極が形成された領域の外接面積）を有する振動発電器を含むものと比較して、発電量のより大きいものとなる。
【００２０】
本発明の振動発電装置は、蓄電回路を含んでよい。蓄電回路を含むことによって、振動発電器からの出力電力が大きい場合には、蓄電回路に電力を蓄えることができる。蓄電回路に蓄えられた電力は、発電器からの出力電力が低下した場合に、供給され、それにより振動発電装置の出力を安定に保つことができる。
【００２１】
本発明はまた、本発明の振動発電装置を含む通信装置を提供する。本発明の通信装置は、電池のみで駆動するものと比較して、電池交換回数の低減を可能にし、或いは用途によっては、電池交換を不要とすることができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の振動発電器によれば、発電効率を低下させることなく、対向する２つの電極の一方が、外部からの力を受けて、Ｘ軸方向、及びＸ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）において振動し、この振動を電力に変換することができる。また、本発明の振動発電装置は、本発明の振動発電器を含み、比較的高い出力の電力を供給できる。さらに、本発明の振動発電装置が蓄電回路を含む場合には、出力電圧を安定させることが可能である。本発明の振動発電器は、通信装置の電源として機能することができる。本発明の振動発電装置は、外部から与えられた力（例えば、人間が歩行しているときに加わる力、又は車を運転している間に加わる振動等）で発電可能なものであるから、本発明の振動発電装置を用いた通信装置は、電池交換等のメンテナンス回数を低減できる等、省資源および環境保護の点で有利である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】（ａ）は本発明の実施の形態１における振動発電器の上面図、（ｂ）は（ａ）に示す振動発電器の第２の電極の配置を示す上面図
【図２】図１に示す振動発電器において、Ａ−Ａに沿って切断した、第１の電極構造を示す断面図
【図３】本発明の実施の形態１における振動発電器の他の電極構造を示す上面図
【図４】本発明の実施の形態１における振動発電器の第１の電極と第２の電極の関係を説明する図
【図５】本発明の実施の形態１における振動発電器の他の構造を示す上面図
【図６】本発明の実施の形態２における振動発電器の図
【図７】歩行により生ずる振動の加速度パワースペクトルの測定結果の例を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態３における振動発電器の図
【図９】本発明の実施の形態３における変形例の振動発電器の図
【図１０】弾性構造体の具体例を含む、発明の実施の形態３における変形例の振動発電器の図
【図１１】本発明の実施の形態３における振動発電装置を示すブロック図
【図１２】本発明の実施の形態３における振動発電装置の各部の電圧波形を示す図
【図１３】本発明の実施の形態４における通信装置を示す図
【図１４】従来の静電誘導型振動発電器の上面図
【図１５】従来の多軸方向の振動を電力に変換する静電誘導型振動発電器の上面図
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における振動発電器を示し、（ａ）は、振動発電器１００の上面図であり、（ｂ）は、振動発電器１００を構成する、第２の電極１０５が形成された第２の基板１０６を含む第２の構造体１０８の上面図である。ただし、図１の（ａ）においては、理解の容易のため、第１の基板１０１に形成された第１の電極１０４を示している。実際の振動発電器においては、第１の電極と第２の電極は対向しているため、外観には現れない。
【００２５】
振動発電器１００は、第１の構造体１０７と第２の構造体１０８により構成される。第１の構造体１０７は、第１の基板１０１および固定構造体１０３を含み、第１の電極１０４は第１の基板１０１上に形成される。第１の基板１０１は、弾性構造体１０２Ｘ、１０２Ｙにより、固定構造体１０３に接続されており、図示したＸ軸方向およびＹ軸方向に、振動可能である。
【００２６】
弾性構造体１０２Ｘ、１０２Ｙは、外部から加えられた力により、伸縮して、第１の基板１０１を振動させる性質を有する。弾性構造体は、具体的には、ばね、またはエラストマー材料（例えば、パリレン樹脂）を用いた構造体であってよい。あるいは、弾性構造体は、１枚のシリコン半導体基板を加工（例えば、ディープＲＩＥ）して、固定構造体１０３と第１の基板１０１とを作製する場合に、両者の間に、半導体基板を一部、橋のように残すことによって形成されたものであってよい。橋状部分の形状および寸法を適宜選択することにより、シリコン半導体基板を、弾性構造体として機能させることは可能である。
【００２７】
第２の構造体１０８は、第２の電極１０５を含み、第２の電極１０５は第２の基板１０６上であって、第１の電極１０４に対向する位置に形成される。
【００２８】
第１の構造体１０７と第２の構造体１０８は、第１の電極１０４と第２の電極１０５が向かい合うように、位置決めして、互いに接続される。より具体的には、図１に示す形態においては、第１の電極１０４の導体部１０４ａが存在しない部分（略正方形の空白部）と、第２の電極１０５の導体部１０５ａとが重なり、かつ、第２の電極１０５が形成された領域が第１の電極１０４が形成された領域からはみ出ないように、２つの構造体１００および１０８は位置決めされる。
【００２９】
２つの構造体１０７および１０８の接続は、固定構造体１０３の一部またはすべての領域が、第２の基板１０６と接続されるように行う。接続は接着剤等を用いて行ってよく、または共晶接合を利用して行ってよい。あるいは、２つの対向する電極間の距離を所望のように制御可能である限りにおいて、他の接続手段（例えば、はんだ）を用いてよい。このように第２の基板１０６と固定構造体１０３を固定することによって、第１の基板１０１上に形成された第１の電極１０４は、第２の基板に対して相対的に変位可能な構造となる。
【００３０】
第１の電極１０４と第２の電極１０５との間の距離は、固定構造体１０３および後述するエレクトレットの寸法にもよるが、一般には、数μｍ〜数１００μｍ、特に、数μｍ〜３０μｍ程度に設定される。２つの電極間の距離は、各電極を構成する導体部またはその上に他の層が形成されている場合には当該層の表面間の距離である。
【００３１】
第１の基板１０１および第２の基板１０６は、例えば、ガラス基板、半導体基板が利用可能である。半導体基板は、例えば、高抵抗シリコン半導体基板、ＳＯＩ基板を用いてよい。
【００３２】
次に電極配置についての説明を行う。第１の電極１０４および第２の電極１０５は、複数の略正方形の導体部１０４ａおよび１０５ａを有する。これらの導体部１０４ａおよび１０５ａは図１（ａ）および（ｂ）に示すように市松格子状（またはチェッカー）に配置されている。すなわち、１つの列に略正方形の導体部１０４ａ（または１０５ａ）と空白部（導体部１０４ａ（または１０５ａ）がない部分）が交互に配置され、次の列では前の列の導体部１０４ａ（または１０５ａ）に空白部が配置され前の列の空白部の隣に導体部１０４ａ（または１０５ａ）が配置されている。第１の電極１０４において、導体部１０４ａは、その四隅（４つの角）で他の導体部１０４ａと、電気的に接続されている。第２の電極１０５においては、第１の電極１０４とは異なり、導体部１０５ａの面積が、上下左右に位置する導体が存在しない部分（図１において、ハッチングした部分の間に位置する白い部分）の面積よりも小さいため、四隅の少なくとも１つを細い導体部（配線電極）で接続することにより、導体部１０５ａ全体の電気的な接続を確保している。図示した形態において、導体部１０５ａは、Ｘ軸およびＹ軸方向に延びる共通配線１０５ｂに接続され、共通配線１０５ｂは、外部へ電力を出力するために用いられる。
【００３３】
第１の電極１０４および第２の電極１０５（即ち、それらの導体部１０４ａおよび１０５ａ）は、導電性を有する材料から成る。導電性を有する材料は、銅、銀、金、鉄、もしくはアルミニウム、またはこれらの金属から成る合金、または不純物をドーピングしたシリコンもしくはポリシリコンであってよい。第１の電極１０４および第２の電極１０５の導体部は、配線基板の分野で用いられているパターニングの手法（導電膜の形成と、エッチングによる所定のパターンの形成を含む）により形成してよい。あるいは、電極の導体部は、例えば、マスクを用いた、スパッタリング法、蒸着法、またはＣＶＤ法で形成してよい。
【００３４】
次に、第１の電極１０４を構成する、電荷を保持した膜（即ち、エレクトレット）についての説明を行う。第１の電極１０４は、導体部１０４ａとともに、電荷を保持した膜状のエレクトレットを有する。エレクトレットを構成する材料としては、ポリプロピレン、ポリエステルテレフタレート、およびポリビニルクロライドなどの高分子材料、或いは酸化シリコンなどの無機材料が挙げられる。図示した形態を含む、本発明の振動発電器においては、エレクトレットの材料として、絶縁耐圧および耐熱性に優れた酸化シリコンを用いることが望ましい。
【００３５】
また、耐湿性を向上させるため、酸化シリコンは、シリコン窒化膜等の絶縁膜によって、その周囲が完全に覆われるようにすることが望ましい。即ち、酸化シリコンの膜のいずれの面（上面、下面および側面）も露出せず、かつ他の膜もしくは基板と直接接触しないように、酸化シリコン膜を、絶縁膜で封止することが好ましい。そのような構成の詳細は、後述する。
【００３６】
上記のように構成された振動発電器の動作についての説明を行う。
振動発電器１００は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体１０２Ｘおよび／または１０２Ｙが伸縮し、それにより第１の基板１０１がＸ軸方向またはＹ軸方向に振動して、第２の基板１０６に対して相対的に変位する。この相対的な変位は、第１の電極１０４の導体部１０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａ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、第２の電極１０５に誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減が電気エネルギーとして取り出され、電力が発生する。また、第１の基板１０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続く。
【００３７】
本発明の実施の形態にかかる振動発電器１００によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）外部から力または振動が加えられると、発電効率を低下させることなく、Ｘ軸方向、及びＸ軸と垂直な方向（Ｙ軸方向）における基板の振動を電力に変換することが可能である。
（２）エレクトレット電極の電気的な接続が容易である。
【００３８】
上記（１）の効果について詳細な説明を行う。第１の電極１０４、および第２の電極１０５は、その導体部１０４ａおよび１０５ｂが市松格子状(チェッカーボード状)に配置されたパターンを有する。また、第１の基板１０１が、Ｘ軸方向に振動した場合の導体部の重なり面積の増減は、Ｙ軸方向に振動した場合の重なり面積の増減とほぼ同じである。そのため、Ｘ軸方向に振動する場合の発電量と、Ｘ軸方向と垂直な方向（Ｙ軸方向）に振動する場合の発電量が同じとなる。
【００３９】
簡単のため、２つの基板において発電に寄与する電極領域のＸ軸方向およびＹ軸方向の寸法が同一であり（即ち、導体部が市松格子状に配置された、電極全体の形状が略正方形であり）、エレクトレット電極による電荷の誘起は、２つの電極の導体部が対向する位置にあるときのみであると仮定する。本実施の形態の振動発電器において、電極の重なり面積が最大である（即ち、第１の電極１０４の導体部１０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａとが完全に重なっている）ときの値を１００、最小であるとき（即ち、第１の電極１０４の導体部１０４ａが、第２の電極１０５の導体部１０５ａが存在しない格子と重なっている）ときの値を０とした場合、第１の基板１０１がＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれに振動しても、重なり面積の最大値は１００となり、最小値は０となる。換言すれば、本実施の形態の振動発電器によれば、発電効率を低下させることなく、２軸方向の外部からの振動を、電力に変換することが可能となる。
【００４０】
次に、上記（２）の効果について、図２を参照して説明を行う。第１の電極１０４は、例えば、基板上に、膜状の導電部１１１（図１の１０４ａに相当）が市松格子状に配置され、図２に示すような市松格子状に配置された導電部１１１は、その四隅が他の導電部１１１と接しているので、互いに電気的に接続されている。あるいは、導電部は、図１の（ｂ）に示すように、四隅が互いに接していない場合には、細い導体部（配線電極）を介して接続してよい。導電部１１１上に、シリコン窒化膜１１２、シリコン酸化膜１１３、シリコン窒化膜１１４が積層して配置される。エレクトレットとなるシリコン酸化膜１１３は、シリコン酸化膜１１３の形成前にシリコン窒化膜１１２を先に形成し、シリコン酸化膜１１３を形成後にシリコン窒化膜１１４を形成することによって、シリコン窒化膜１１３により完全に覆われるようにすることが好ましい。それにより、シリコン酸化膜の耐湿性が向上し、エレクトレットに帯電した電荷の抜けが防止される。
【００４１】
上記材料で膜を形成するだけでは、エレクトレットとして機能しない。エレクトレットとして機能させるには、エレクトレットの材料で膜を形成した後、当該膜に電荷を注入する工程（着電）が必要となる。着電において、導電部が共通電位となるように形成されていれば、良好なデバイス特性を得ることができる。
【００４２】
図２には示していないが、シリコン窒化膜１１２、１１４は、導電部１１１が外部端子と電気的接続が可能なように形成する。少なくとも、シリコン酸化膜１１３を覆うように、シリコン窒化膜１１２、１１４が形成されている限りにおいて、シリコン窒化膜１１２、１１４は、基板全面に成膜する必要はなく、導電部の一部を露出させるように形成してよい。
【００４３】
シリコン酸化膜（エレクトレット）１１２は、導電部１１１と同様に市松格子状に形成され、かつ図示するように、導電部１１１の一部を覆うように（即ち、上から見たときに、導電部１１１よりも小さい面積を有するように）形成される。そのようにエレクトレットを形成することは、プロセスおよびデバイス特性の安定性から望ましい。
【００４４】
図１においては、導電部が市松格子状に配置された、第２の電極を、基板上に１組配置した。変形例において、第２の電極は、図３に示すように、２組配置してもよい。図３において、符号１２５ａは、電極群Ａを指し、符号１２５ｂは、電極群Ｂを指す。電極群ＡおよびＢとも、導電部が市松格子状に配置された構成を有し、電極群Ａ１２５ａの導電部は、電極群Ｂ１２５ｂの導電部が位置しない格子に配置されている。よって、図示するように、第２の基板において、導電部で覆われる面積は、図１に示す形態のそれの約２倍となっている。
【００４５】
２つの電極群をこのように配置すると、電極群Ａ１２５ａから、電圧の位相が、電極群Ｂ１２５ｂから出力される電力の電圧の位相とは１８０度異なる、電力が出力される。また、電極群Ａ１２５ａと電極群Ｂ１２５ｂのそれぞれの電極端子を、全波整流回路に接続すると、１つの電極群を使用する場合の電圧の２倍の直流電圧を得ることができる。
【００４６】
また、各電極群からの出力を一旦ＤＣ変換した後に回路上で１つにまとめると、２倍の電荷を取り出すことが可能となる。このように、第２の電極を、複数の電極群で構成することによる利用上の効果は大きい。
【００４７】
図１に示す形態において、第２の電極は、それが形成された領域の外接面積が、第１の電極のそれと略同じとなるように形成した。ここで、「第２の電極が形成された領域の外接面積」とは、即ち、上面から見たときに、第２の電極を構成する導体部を全て含む矩形ないしは正方形であって、最小の面積を有するもののその面積をいう。換言すれば、第２の電極全体の概略形状および第２の電極を構成する導体部の数は、第１の電極のそれらと同じである。
【００４８】
図１に示す形態の好ましい変形例において、第２の電極が形成された領域の外接面積は、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい。そのような変形例を、図４に示す。図４に示すように、第１の電極が形成された領域を超えた領域に、第２の電極２０６を、第２の基板２０５上に形成することが望ましい。最も好ましくは、第２の電極が形成された領域の外接面積は、第１の基板２０１の振動限界まで及ぶ。
【００４９】
このように構成することで、以下のような効果を得ることができる。
（３）重なり面積の有効領域を一定にすることが可能である。
第１の基板が大振幅で振動を行った場合、図１に示す電極構成が採用されていると、第２の電極が形成されていない領域では、電極の重なりが生じないため、重なり面積の有効面積が減少するという問題が発生する。しかしながら、図４に示すように、第２の電極が形成された領域の外接面積を、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きくすることによって、重なり面積の有効領域は常に一定とすることができる。その結果、前述の重なり面積の最大値１００、最小値０を維持することができる。
【００５０】
図４に示すような構成は、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向において振動可能な第１の基板を有する形態のみならず、１軸方向にのみ第１の基板が振動可能である、振動発電器においても有効である。特に、弾性構造体が小さいばね定数を有し、僅かな力によって大きく変形するものである場合に、この構成は有効である。また、第１軸方向および／または第２軸方向において、第１の基板が、振動方向の導電部の寸法よりも大きく変位して振動するような振動発電器においても、この構成は有効である。よって、この構成は、例えば、前記特許文献１および２に記載された振動発電器にも適用することができる。
【００５１】
本実施の形態では、第１の基板上に膜状のエレクトレットを含む電極を構成した形態を示した。第２の基板上に膜状のエレクトレットを含む電極を構成しても同様の効果が得られることは言うまでもない。また、エレクトレットの有無にかかわらず、第２の基板を、固定構造体に、弾性構造体により接続してよい。その場合、第１の電極が形成される領域の外接面積が、第２の電極が形成される領域の外接面積よりも大きくなるように、２つの電極を構成することが好ましい。
【００５２】
さらに、図５に示す振動発電器３００のように、第１の基板３０１は、矩形（長方形）であってもよい。その場合、第２の基板も同様に矩形であることが好ましい。あるいは、導電部が市松格子状に配置される限りにおいて、第１の基板は、他の形状であってもよく、その場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５３】
なお、本実施の形態では、エレクトレットをシリコン酸化膜とした例を示した。シリコン酸化膜は、正電荷にも負電荷にも帯電することができる。そのため、第１の電極を、図２に示すごとく、２組配置して、一方の電極群に属するエレクトレットは正の電荷に、他方の電極群に属するエレクトレットは負の電荷に帯電させることで、振動による出力電力をさらに向上させることが可能となり、有用である。
【００５４】
また、導電部は、正方形でなく、長方形であってよい。その場合には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向で同じ発電量を得るには、第１の基板（または第２の基板）のＸ軸方向およびＹ軸方向の振動振幅を、長方形の長辺または短辺の長さに応じて、重なり面積の最大値が１００となり、最小値が０となるように、選択する。
【００５５】
本発明の振動発電器は、第１および第２の電極において、１つの軸方向（軸方向α）およびそれとは異なる軸方向（軸方向β）において、それぞれ一定の幅を有する幾何学図形（例えば、菱形および平行四辺形）の導電部が、市松格子状に配置されているものであってよい。その場合、第１の基板または第２の基板は、軸方向αおよびβにおいて、振動可能なように、弾性構造体を用いて、固定構造体に接続される。
【００５６】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における振動発電器４００の上面図、Ａ−Ａに沿って切断した断面図、およびＢ−Ｂに沿って切断した断面図を示す。本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、第１の基板をＸ軸方向で振動させる弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数が、第１の基板をＹ軸方向で振動させる弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数とは、異なっている点である。ばね定数の違いを概念的に示すために、弾性構造体４０２Ｘのばねの個数を、弾性構造体４０２Ｙのばねの個数と異なるように図示している。弾性構造体が、必ずしもばねである必要はなく、エラストマー材料で形成されてよく、あるいは半導体基板の加工により形成してよいことは、前述したとおりである。
【００５７】
本実施の形態のように、Ｘ軸方向の振動を担う弾性構造体のばね定数ｋＸと、Ｙ軸方向の振動を担う弾性構造体のばね定数ｋＹとが異なっている振動発電器の動作について、以下に説明する。
【００５８】
振動発電器４００は、外部からの力または振動を受けて、第１の基板が振動することにより、第１の基板が第２の基板に対して変位し、変位の結果、生じる電荷の変化を第２の電極が検出して発電を行う。その際、第１の基板と弾性構造体により決定される共振周波数の外部振動に対して、第１の基板は特に大きな振幅で振動を行う。弾性構造体４０２Ｘおよび４０２Ｙのばね定数を互いに異なるようにすれば、振動発電器４００のＸ軸方向、及びＹ軸方向の共振周波数が、異なる値となる。その結果、例えば、斜め方向（Ｘ軸と９０度以外の角度を形成する方向）において、ある周波数の外部振動が加わった場合においても、Ｘ軸方向、またはＹ軸方向のどちらか一方において、第１の基板を、強制的に振動させることが可能となる。
【００５９】
したがって、図４に示す形態の構成は、以下のような効果をもたらす。
（４）発電量の低下を防ぎ、振動発電器の利用可能範囲を拡大させる。
【００６０】
上記（４）の効果について説明を行う。先に、本実施の形態の振動発電器の動作について説明したように、弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数と、弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数とを互いに異ならせることによって、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の共振周波数を異ならせることができる。振動発電器は外部からの力又は振動により、第１の基板が振動することにより発電するため、共振周波数が異なれば、同じ周波数の振動に対して、どちらか一方の方向において強制的に励振されることとなる。その結果、市松格子状に導電部を配置した電極構成を採用した場合に、第１の基板を斜め方向に変位させる力が外部から加わっても、発電量が極端に低下することがない。このことは、特定の周波数領域、或いは特定の方向の外部振動以外の領域において、発電量の低下を低減することを可能とし、もって利用可能範囲を拡大することを可能にする。
【００６１】
本実施の形態においても、第２の電極が形成される領域の外接面積は、第１の電極が形成される領域の外接面積よりも大きく、第２の電極は、振動限界まで形成されている。このように電極を構成することにより、この形態の振動発電器は、第１の基板が大きい振幅で振動しても、発電量を低下させることなく、動作できる。
【００６２】
第１の基板をＸ軸方向に振動させる弾性構造体４０２ＸのＸ軸方向のばね定数ｋＸと第１の基板をＹ軸方向に振動させる弾性構造体４０２ＹのＹ軸方向のばね定数ｋＹとが異なることの技術的意義をより具体的に以下に説明する。
【００６３】
図７は、所定の条件で歩行した際に生ずるＸ軸方向の振動の加速度パワースペクトルとＹ軸方向の加速度パワースペクトルとの測定例を示すグラフである。図中に示すように上のスペクトルがＸ軸方向の振動に対応し、下のスペクトルがＹ軸方向の振動に対応する。
グラフの横軸は任意単位で示す周波数であり、縦軸は任意単位で示す加速度のパワースペクトルであり、横軸、縦軸は対数表示となっている。
【００６４】
Ｘ軸方向の振動は、図７中に「基本周波数」で示した周波数に加速度パワースペクトルの最大ピークを有し、一方Ｙ軸方向の振動は、図中に「基本周波数×２」で示した基本周波数の２倍の周波数に加速度パワースペクトルの最大ピークを有している。つまりＸ軸方向とＹ軸方向で加速度パワースペクトルが最大となる周波数は異なる。
【００６５】
しかし、Ｘ軸方向の振動の加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数にＹ軸方向の振動もパワースペクトルの大きなピークを有している。また、Ｙ軸方向の振動の加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数の２倍の周波数にＹ軸方向の振動もパワースペクトルの大きなピークを有している。
表１は、Ｘ軸方向の振動の基本周波数での加速度パワースペクトルを１００とした場合のＸ軸方向、Ｙ軸方向それぞれの基本周波数および基本周波数の２倍の周波数（図７の「基本周波数×２」）での加速度スペクトルの大きさを示す。
【００６６】
【表１】
2010035507.tif 000019
【００６７】
これらの結果は、例えばＹ軸方向の振動加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数の２倍の周波数で共振が起こるように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹとを設定すると第１の基板はＸ軸及びＹ軸の両方向に共振してしまい、本願発明の特徴であるＸ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方にのみ振動させることで発電効率を高めるという目的に反し、発電効率が低下する場合があることを示している。
【００６８】
同様に、Ｘ軸方向の振動加速度パワースペクトルが最大となる基本周波数で共振が起こるように弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹとを設定しても第１の基板はＸ軸及びＹ軸の両方向に共振し発電効率が低下してしまう。
【００６９】
図７のグラフから、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の基本周波数および基本周波数の２倍の周波数にある加速度パワースペクトルの大きなピークは、何れも半値幅がその周波数の概ね３０％以内であることがわかる。従って、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹを設定することで、共振の発生をＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方とし、発電効率を大幅に向上することができる。
共振の発生をより確実にＸ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方に制限するように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±２０％以上離すように、弾性構造体４０２Ｘのバネ定数ｋＸと弾性構造体４０２Ｙのバネ定数ｋＹを設定することがより好ましい。
より具体的には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれか一方の共振周波数の定数倍の周波数に対して±１５％以上、或いはより確実にいずれか一方に制限するために±２０％以上共振周波数を離すように設定を行う。
【００７０】
なお、このようにＸ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上または±２０％以上離すように、Ｘ軸方向の振動をもたらす弾性構造体のバネ定数ｋＸとＹ軸方向の振動をもたらす弾性構造体のバネ定数ｋＹを設定することは実施の形態１で示した全ての振動発電器において適用可能であることは明らかである。
【００７１】
（実施の形態３）
図８は、本発明の実施の形態３にかかる振動発電器７００の第１の構造体７０７の上面図である。
図１と同様に図８においても、理解の容易のため、第１の構造体７０７に形成された第１の電極７０４を示している。実際の振動発電器においては、第１の電極７０４は第１の基板の下面に配置されて第２の電極と対向しているため、上面から見た外観には現れない。
【００７２】
図８では振動発電器７００に用いる第２の構造体の記載を省略してある。振動発電器７００の第２の構造体は、例えば、図１に示した振動発電器１００の第２の構造体１０８と同じ構成の構造体を含む本明細書に示すいずれの第２の構造体を用いてもよい。
【００７３】
本実施の形態において、実施の形態１と異なる点は、固定構造体７０３と第１の基板７０１との間に可動構造体７０５を有していることである。
可動構造体７０５は、Ｙ軸方向の振動に寄与する弾性構造体７０２Ｙを介して固定構造体７０３とＹ軸に略平行に接続され、またＸ軸方向の振動に寄与する弾性構造体７０２Ｘを介して第１の基板７０１とＸ軸に略平行に接続されている。
【００７４】
このような構造を有することにより、振動発電器７００は弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのばね定数が同じ場合においてもＸ軸方向の共振周波数とＹ軸方向の共振周波数を異ならせることができ、従って高い効率で発電を行うことが可能となる。
【００７５】
すなわち、Ｘ軸方向に振動する場合、弾性構造体７０２Ｘは、第１の基板７０１を振動させる。一方、Ｙ軸方向に振動する場合、弾性構造体７０２Ｙは、第１の基板７０１に加えて弾性構造体７０２Ｘと可動構造体７０５とを振動させる。すなわち、例え弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのばね定数が同じであっても振動させる対象物の質量（合計の質量）が異なることからＸ軸方向の振動の共振周波数とＹ軸方向の振動の共振周波数とを異なるものとすることができる。
【００７６】
振動発電器７００をこのような構造にすることで、第１の基板７０１（すなわち第１の電極７０４）の振動方向をＸ軸方向またはＹ軸方向の何れか一方に明確に制限（分離）することができる。
なお、例えば弾性構造体７０２Ｘと７０２Ｙのばね定数、或いは可動構造体７０５の質量を調整する等により、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように、振動発電器７００を構成するのが好ましい。Ｘ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±２０％以上離すように、振動発電器７００を構成するのがより好ましい。
【００７７】
また、弾性構造体７０２Ｘおよび弾性構造体７０２Ｙは、実施の形態１の弾性構造体１０２Ｘおよび１０２Ｙと同じ、構造および同じ材料から構成されてよい。
さらに、例えば、電極の配置、第１の構造体７０７と第２の構造体（例えば第２の構造体１０８）との接続、第１の電極７０４と第２の電極（例えば第２の電極１０５）との間の距離、第１の基板７０１および第２の基板（例えば第２の基板１０６）を構成する材料および第１の電極７０４のような、振動発電器７００の上述した以外の構成は第１の実施形態または第２の実施形態に示した構成を用いてよい。
弾性構造体７０２Ｘと弾性構造体７０２Ｙのバネ定数は上述のように同じでもよく、またＸ軸方向およびＹ軸方向のどちらか一方の共振周波数に対して、他方の共振周波数を±１５％以上離すように構成されていれば異なっていてもよい。
【００７８】
上記のように構成された振動発電器７００の動作についての説明を行う。
振動発電器７００は、外部からの力または振動が加わると、弾性構造体７０２Ｘおよび／または７０２Ｙが伸縮し、それにより第１の基板７０１がＸ軸方向またはＹ軸方向に振動して、第２の基板（ここでは第２の基板１０６を例として用いる）に対して相対的に変位する。
この相対的な変位は、第１の電極７０４の導体部７０４ａと第２の電極１０５の導体部１０５ａ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、第２の電極１０５に誘起される電荷量が増減する。この電荷の増減が電気エネルギーとして取り出され、電力が発生する。また、第１の基板７０１が振動を続ける限り、この重なり面積の増減は続く。
【００７９】
実施の形態３にかかる振動発電器７００は、実施の形態１に係る振動発電器と比較して以下のようなより優れた効果を得ることができる。
（１）Ｘ軸方向、及びＸ軸と垂直な方向（Ｙ軸方向）の振動を分離して振動体に加えることができ、他方の振動（或いは、弾性構造体）の影響を受けにくくすることが可能である。
（２）Ｘ軸方向およびＹ軸方向の一方の振動は他方の振動に対し変位が規定されるため、振動エネルギーと電気エネルギーの変換時において、他方の振動の影響を受けにくい。
【００８０】
上記（１）の効果についてより詳細な説明を以下に行う。
Ｘ軸方向の振動が外部から与えられた場合、振動は固定構造体７０３、弾性構造体７０２Ｙを介して可動構造体７０５に伝えられる。しかし弾性構造体７０２ＹはＹ軸方向に強制的に弾性変形する構造であるため、弾性構造体７０２Ｙは外部より与えられた振動による弾性変形はほとんど無く、外部より与えられた振動は、弾性構造体７０２Ｙおよび可動構造体７０５を介してそのまま、弾性構造体７０２Ｘに伝わる。そして、弾性構造体７０２Ｘを振動（周波数によっては共振させ）させてこの振動が第１の基板７０１に伝えられる。すなわち、第１の基板７０１は、弾性構造体７０２Ｙの影響を受けることなく振動することで、振動発電器７００はあたかもＸ軸方向の振動のみで動作する発電器のように動作する。
【００８１】
逆に、Ｙ軸方向の振動が外部から与えられた場合、振動は固定構造体７０３を介して、弾性構造体７０２Ｙに伝わる。そして、弾性構造体７０２Ｙを振動（周波数によっては共振）させ、この振動が可動構造体７０５に伝われる。ここで、弾性構造体７０２ＸをＸ軸方向に強制的に弾性変形する構造とすることで可動構造体７０５に伝えられた振動は弾性構造体７０２Ｘを介して、そのまま第１の基板７０１に伝えられ、あたかも可動構造体７０５、弾性構造体７０２Ｘ、第１の基板７０１が１つの基板のように一体となって振動する。
【００８２】
つまり、第１の基板７０１は、弾性構造体７０２Ｘの影響を受けることなく振動することで、振動発電器７００はＹ軸方向の振動のみで動作する発電器として動作する。
換言すれば、本実施の形態の振動発電器７００は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の振動を実施の形態１の振動発電機と比較して、より明確に分離して動作することが可能となる。
なお、このようにＸ軸方向、或いはＹ軸方向のどちらか一方のみに強制的に弾性変形する弾性構造体の一例について、図１０を用いて後述する。
【００８３】
次に、上記（２）の効果について説明する、
図８に示すように、固定構造体７０３と可動構造体７０５は、Ｘ軸方向において狭い空間で配置される。また、可動構造体７０５と第１の基板７０１とはＹ軸方向において狭い空間で配置される。このように配置することで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のうちの一方の振動は他方の振動の影響を受けても他方の振動の変位を小さくすることができ、電極の重なり度合いを確保して、発電効率が低下することが防止できる。
【００８４】
さらに、実施の形態１（図５）で示したのと同様に、第１の基板７０１は、矩形（長方形）であってもよい。その場合、第２の基板も同様に矩形であることが好ましい。あるいは、導電部が市松格子状に配置される限りにおいて、第１の基板７０１は、他の形状であってもよく、その場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
なお、本実施の形態では、エレクトレットをシリコン酸化膜として用いるのが好ましい。シリコン酸化膜は、正電荷にも負電荷にも帯電することができる。そのため、第１の電極７０４を、例えば図２に示すように、２組配置して、一方の電極群に属するエレクトレットは正の電荷に、他方の電極群に属するエレクトレットは負の電荷に帯電させることで、振動による出力電力をさらに向上させることが可能となるからである。
【００８５】
また、導体部は、正方形でなく、長方形であってよい。その場合には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向で同じ発電量を得るには、第１の基板（または第２の基板）のＸ軸方向およびＹ軸方向の振動振幅を、長方形の長辺または短辺の長さに応じて、重なり面積の最大値が１００となり、最小値が０となるように選択する。
【００８６】
図８に示す実施形態では、エレクトレット有する第１伝の基板７０１を振動させ、第２の基板を固定している。しかしながら、エレクトレットを有する第１の基板を固定構造体７０３に固定し、第２の基板（例えば第２の基板１０６）を弾性構造体７０２Ｘと接続して振動させる実施形態も当然に本実施形態に含まれる。
【００８７】
・変形例
図９は、本発明の実施の形態３の変形例である振動発電器８００の第１の構造体８０７の上面図である。
図８と同様に図９においても、理解の容易のため、第１の構造体８０７に形成された第１の電極８０４を示している。実際の振動発電器８００においては、第１の電極８０４は第１の基板の下面に配置されて第２の電極は対向しているため、上面から見た外観には現れない。
【００８８】
図９では振動発電器８００に用いる第２の構造体の記載を省略してある。振動発電器８００の第２の構造体は、例えば、図１に示した振動発電器１００の第２の構造体１０８と同じ構成の構造体を含む本明細書に示す各種の第２の構造体を用いることができる。
【００８９】
振動発電器８００は、固定構造体８０３と第１の基板８０１との間に、第１の可動構造体８０５ａと第２の可動構造体８０５ｂの２つの可動構造体を有していることが振動発電機７００と異なる。
【００９０】
第１の可動構造体８０５ａは、Ｙ軸方向の振動に寄与する弾性構造体８０２Ｙ２を介して固定構造体８０３とＹ軸に略平行に接続され、またＹ軸方向の振動に寄与する別の弾性構造体８０２Ｙ１を介して第２の可動構造体８０５ｂとＹ軸に略平行に接続されている。
【００９１】
第２の可動構造体８０５ｂは、Ｘ軸方向の振動に寄与する弾性構造体８０２Ｘを介して、内側に位置する第１の基板８０１とＸ軸に略平行に接続されている。
【００９２】
上術した構成以外の第１の基板８０１および第１の電極８０４を含む振動発電器８００の他の構成は、振動発電機７００と同じでよい。
【００９３】
振動発電器８００は、振動発電器７００が有する利点に加えて、Ｙ軸方向の振動において共振する周波数の数を増加できるという利点がある。
【００９４】
Ｙ軸方向の振動には弾性構造体８０２Ｙ１と弾性構造体８０２Ｙ２の２つの弾性構造体が寄与する。
このため、Ｙ軸方向の振動については２つの異なる共振周波数を有することができる。
これは、Ｙ軸方向に対して第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、可動構造体８０５ｂで構成される質点と、可動構造体８０５ａで構成される質点が弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２で接続されることで、２つの質点が独立に振動することが可能であるからである。
【００９５】
Ｙ軸方向に２つの異なる周波数を有することは、振動発電器８００に外部から振動が加わった際に、外部からの振動に対して、より広い周波数域でＹ軸方向の共振が起こることを意味する。従って、外部振動に対してより広い周波数領域で発電を行うことができる。
【００９６】
Ｙ軸方向の２つの共振周波数は、例えば図７の歩行の例を基に、弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２のばね定数、或いは可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量を調整することにより基本周波数と基本周波数×２の２つの周波数に共振周波数を一致するように設定するのが好ましい。このように設定することで、第１の基板８０１をより大きく変位させることができ、振動発電器８００からより多くの電力を出力することが可能となる。
また、図７の歩行時の振動例を基に、弾性構造体８０２Ｙ１、８０２Ｙ２のばね定数、或いは可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量を調整することにより第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、可動構造体８０５ｂの質量と弾性構造体８０２Ｙ１のばね定数で決まる共振周波数と、第１の基板８０１、弾性構造体８０２Ｘ、８０２Ｙ１、可動構造体８０５ａ、８０５ｂの質量と、弾性構造体８０２Ｙ２のばね定数で決まる共振周波数とを異なるように設定することも可能である。このように設定することで、複数の外部からの振動に対して、第１の基板８０１を変位させることができ、より広い周波数領域において振動発電器８００から電力を出力することが可能となる。
【００９７】
なお、例えば可動構造体の数を増加させる等により、Ｘ軸方向に配置する弾性構造体を配置し、Ｘ軸方向の振動の共振周波数を２つ以上としてもよい。また、例えば可動構造体、弾性構造体の数を増加させる等により、Ｙ軸の方向の共振周波数を３つ以上としてもよい。
【００９８】
図１０は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のどちらか一方向のみに弾性変形する弾性構造体の具体例を含む振動発電器８１０の第１の構造体８１７の上面図である。
振動発電器８１０は、図９に示す振振動発電８００と同様の構成を有しており、同じ構成を有する部材については、図９と同じ番号を付してある。
また、以下に詳述する弾性構造体の配置が容易に認識できるように、図１０では、固定構造体８０３、第１の可動構造体８０５ａ、第２の可動構造体８０５ｂおよび弾性構造体８１２Ｘ、８１２Ｙ１、８１２Ｙ２にはハッチングを付して示した。
【００９９】
弾性構造体８１２Ｘは、Ｙ軸方向に延在した細長い梁構造を有しており、（図１０の例では４箇所に配置されている）、弾性構造体８１２Ｙ１および弾性構造体８１２Ｙ２は、Ｘ軸方向に延在した細長い梁構造を有してしている（図１０の例では弾性構造体８１２Ｙ１および弾性構造体８１２Ｙ２はそれぞれ４箇所に配置されている）。
このような梁構造が撓むことにより弾性構造体８１２Ｘは、Ｘ軸方向に弾性変形可能であるが、Ｙ軸方向には、ほとんど弾性変形しない。同様に弾性構造体８１２Ｙ１、８１２Ｙ２はX軸方向にはＹ軸方向に弾性変形可能であるが、X軸方向には、ほとんど弾性変形しない。また、弾性構造体８１２Ｘ、８１２Ｙ１、８１２Ｙ２はＺ軸方向に対しても、例えば梁の厚さ（Ｚ方向の幅）を、Ｘ軸方向（８１２Ｘについて、）またはＹ軸方向（８１２Ｙ１および８１２Ｙ２について）の梁の幅に対して十分に大きくすることで弾性変形を小さくすることが可能である。
【０１００】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態３として、振動発電装置を説明する。図１１は、振動発電装置５００のブロック図である。図１１において、振動発電器は、実施の形態１から実施の形態３の何れかに示された振動発電器である。
【０１０１】
図１１において、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の出力電圧レベルまで、電圧変換に付される。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。
【０１０２】
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１２を参照して説明を行う。図１２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１２の（ａ）は、振動発電器５０１の出力電圧波形である。本実施の形態では、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１２（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。
【０１０３】
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１２（ｃ））。
【０１０４】
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５００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。
【０１０５】
（実施の形態５）
図１３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１３において、発電装置は、実施の形態４の振動発電装置を示す。
【０１０６】
図１３において、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。
【０１０７】
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。
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、或いは電池６０２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。
【０１０８】
このように作動する通信装置において、振動発電装置を通信装置の電源として利用する場合、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。
【０１０９】
本実施の形態では、振動発電装置と電池とを併用する例を示した。振動発電装置からの出力電力が、圧力センサ、処理部、通信部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まかなうことができれば、振動発電装置のみを電源として用いてよい。その場合、電池、及び電源制御部が不要となり、機器の小型化の点で有利である。
【０１１０】
本実施の形態では、実施の形態１から３に示す振動発電器、および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。
【０１１１】
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、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において、使用することができる。
【０１１２】
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る。
【産業上の利用可能性】
【０１１３】
本発明の振動発電器は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の２つの方向に振動して、発電を行うことができ、かつ、いずれの方向においても、従来の１軸方向の振動発電器と同等の出力で発電できるので、静電誘導型振動発電器として有用である。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は非常に有用である。
【符号の説明】
【０１１４】
１００  振動発電装置
１０１  第１の基板
１０２Ｘ、１０２Ｙ  弾性構造体
１０３  固定構造体
１０４  第１の電極
１０５  第２の電極
１０６  第２の基板
１０７  第１の構造体
１０８  第２の構造体
５００  振動発電装置
６００  通信装置
【手続補正２】
【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】
第１の基板上に形成された第１の電極と、
第２の基板上に形成された第２の電極とを含み、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、前記第１および第２の基板に平行な平面内における第１軸方向、および前記第１軸方向に垂直な第２軸方向において、振動することができ、
前記第１の電極は、前記第１の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第２の電極は、前記第２の基板上に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された構成を有し、
前記第１の電極および前記第２の電極のいずれか一方は、電荷を保持した膜を含み、
前記第１の電極と前記第２の電極とは、それらの間に間隙を有する状態で互いに対向している振動発電器。
【請求項２】
前記第２の電極は、
前記導体部が市松格子状に配置された電極群Ａと、
前記電極群Ａにおいて前記導体部が存在しない各格子に、前記第１軸方向および前記第２軸方向に平行な辺を有する長方形または正方形の導体部が市松格子状に配置された電極群Ｂとで構成されており、
前記電極群Ａと前記電極群Ｂとは、電気的に接続されていない請求項１に記載の振動発電器。
【請求項３】
固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第１の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第１の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項４】
固定構造体をさらに含み、
前記固定構造体と前記第２の基板とが、弾性構造体により接続されており、
前記第１の基板と前記固定構造体とが固定されており、
前記第１軸方向に平行な方向で前記第２の基板を振動させる弾性構造体の前記第１軸方向のばね定数と、前記第２軸方向に平行な方向で前記第２の基板を振動させる弾性構造体の前記第２軸方向のばね定数とが互いに異なっている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項５】
固定構造体と、
前記固定構造体と前記第１の基板との間に配置された可動構造体と、をさらに含み、
前記可動構造体と前記第１の基板とが、第１の弾性構造体により前記第１軸方向に平行な方向に接続されており、
前記固定構造体と前記可動構造体とが、第２の弾性構造体により前記第２軸方向に平行な方向に接続されており、
前記第２の基板と前記固定構造体とが固定されている、
請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項６】
前記第１の電極または前記第２の電極のいずれか一方の前記第１軸方向の振動の共振周波数である第１共振周波数と、前記いずれか一方の電極の前記第２軸方向の振動の共振周波数である第２共振周波数とが、異なっている請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項７】
前記第１共振周波数と、前記第２共振周波数とが、少なくとも２０％異なっている請求項６に記載の振動発電器。
【請求項８】
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、前記第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項９】
前記第２の基板において、前記第２の電極が形成された領域の外接面積が、前記第１の基板において、第１の電極が形成された領域の外接面積よりも大きい、請求項１に記載の振動発電器。
【請求項１０】
前記第１の電極または第２の電極は、前記導電部として膜状の導電部と、前記電荷を保持した膜としてシリコン酸化膜とを少なくとも含み、
前記膜状の導電部は前記第１の基板または前記第２の基板上に形成されており、
前記シリコン酸化膜は、その上面、下面および側面が、絶縁膜で覆われており、
前記導電部がすべて、電気的に接続されている
請求項１〜９のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項１１】
前記シリコン酸化膜を含む前記第１の電極または前記第２の電極において、前記シリコン酸化膜が複数の独立した帯電部として形成され、前記第１の電極または前記第２の電極は、正の電荷が保持された帯電部を含む電極群、および負の電荷が保持された帯電部を含む電極群により構成されている、請求項１０に記載の振動発電器。
【請求項１２】
前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記間隙の距離が、前記第１の電極を構成する前記導体部および前記第２の電極を構成する前記導体部のうち、最も小さい導体部の短辺よりも小さい、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動発電器。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の振動発電器を含む、発電装置。
【請求項１４】
請求項２に記載の振動発電器を含む、発電装置であって、
前記電極群Ａからの出力端子と、前記電極群Ｂからの出力端子がそれぞれ全波整流回路に接続されている、発電装置。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１項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、
振動発電装置からの出力が不要な場合に、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、蓄電回路または電圧制御回路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１６】
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１５に記載の振動発電装置。
【請求項１７】
請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の発電装置を含む、通信装置。
【請求項１８】
さらに電池を含む、請求項１７に記載の通信装置。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
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【図２】
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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１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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