(57)【要約】振動エネルギーを電力に変換する振動発電器であって、固定基板１０１と、固定基板１０１に対して振動可能な振動体１０７と、を備え、固定基板１０１には、固定電極片１０３が配置され、振動体１０７には、固定電極片１０３に対向するエレクトレット電極片１０９が配置され、前記振動発電器は、振動体１０７の振動によって生じる、固定電極片１０３とエレクトレット電極片１０９との間の容量変化によって、発電するようになっており、エレクトレット電極片１０９の振動方向両端部４０１は、エレクトレット電極片１０９の振動方向中間部４０２に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっている。
2013145553.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを電力に変換する振動発電器であって、
固定基板と、前記固定基板に対して振動可能な振動体と、を備え、
前記固定基板には、固定電極片が配置され、
前記振動体には、前記固定電極片に対向するエレクトレット電極片が配置され、
前記振動発電器は、前記振動体の振動によって生じる、前記固定電極片と前記エレクトレット電極片との間の容量変化によって、発電するようになっており、
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部は、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっている、振動発電器。
【請求項２】
前記固定電極片は、前記振動体の振動方向に並んで複数設けられており、
前記エレクトレット電極片は、前記振動体の振動方向に並んで複数設けられている、請求項１記載の振動発電器。
【請求項３】
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部の対向方向厚さは、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部の対向方向厚さに比べて、厚くなっている、請求項１又は２に記載の振動発電器。
【請求項４】
前記振動体には、短冊状の凹部が形成され、これにより形成される凸部と凹部とをまたがるように電荷保持膜が形成されており、
少なくとも前記凸部には、前記エレクトレット電極片が配置されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動発電器。
【請求項５】
前記エレクトレット電極片は、酸化膜に窒化膜を被覆して構成されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の振動発電器。
【請求項６】
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部には、電荷流出抑制膜が形成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の振動発電器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動エネルギーを電力に変換する、振動発電器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電をはじめ熱電発電、磁石とコイルの電磁誘導による発電など、環境に広く存在するエネルギーから電力を取り出し、小電力の電子機器に利用する、環境発電が注目されている。その中で、人体や車両や機械などの振動エネルギーを用いて電力を取り出す、静電誘導型振動発電器が知られている。静電誘導型振動発電器では、デバイス内の振動体に形成された電極とこれに対向する固定電極片とのいずれかにエレクトレットと呼ばれる半永久的に電荷を有した膜が配置されている。そして、この２つの電極の容量変化を用いて誘導電荷を変化させることによって、電流を流し、これにより負荷にかかる電圧が発生することによって、電力が取り出せるようになっている。【０００３】
図１６は、従来の振動発電器であって、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向した時の断面図であり、図１７は、ガード電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。図１６及び図１７に示されるように、固定基板６０１上には絶縁膜６０２が設けられ、絶縁膜６０２上には固定電極片６０３と第１のガード電極片６０４とが交互に複数配置されている。固定基板６０１上にはスペーサー６０５が配置され、スペーサー６０５に接続された少なくとも２つのばね６０６によって、振動体６０７が、ばね振動の可動状態で、固定基板６０１上の固定電極片６０３と第１のガード電極片６０４上に、空間を介して配置されている。振動体６０７には絶縁膜６０８を介してエレクトレット電極片６０９と第２のガード電極片６１０とが交互に複数配置されており、振動体６０７の上方には、スペーサー６０５上にふた基板６１１で封止されている。エレクトレット電極片６０９にはマイナスの電荷が注入されている。振動体６０７は、エレクトレット電極片６０９と第２のガード電極片６１０の方向にスライド振動するようになっている。そして、図１６に示されるように、エレクトレット電極片６０９と固定電極片６０３が対向したときに固定電極片６０３にプラスの誘導電荷が最も多く誘起され、図１７に示されるように、第２のガード電極片６１０と固定電極片６０３が対向したときに、固定電極片６０３に発生したプラスの誘導電荷が最小となる。そして、このような電荷の増減により誘導電流が励起され、誘導電流は整流回路６１２により整流され、負荷６１３にかかる電圧が発生することによって、振動発電器が発電するようになっている。（特許文献１参照）【０００４】
ここで、エレクトレット電極片６０９には、マイナスの電荷が注入されているが、これはコロナ放電により発生したマイナスの電荷を上方から降らせることによって行われており、電荷は、エレクトレット電極片６０９のＸ方向に均一に分布するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−０４０４１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、エレクトレット電極片６０９と固定電極片６０３とが対向して生じる誘導電荷量が十分に得られるようになっていない。その結果、誘導電流が低下し、振動発電器の発電量が低下してしまう。【０００７】
そこで、本発明では、誘導電荷量を増大させることによって発電量を増加させることができる、振動発電器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】
【０００８】
振動エネルギーを電力に変換する振動発電器であって、固定基板と、前記固定基板に対して振動可能な振動体と、を備え、前記固定基板には、固定電極片が配置され、前記振動体には、前記固定電極片に対向するエレクトレット電極片が配置され、前記振動発電器は、前記振動体の振動によって生じる、前記固定電極片と前記エレクトレット電極片との間の容量変化によって、発電するようになっており、前記エレクトレット電極片の振動方向両端部は、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向して生じる誘導電荷量を増大させることができ、その結果、振動発電器の発電量を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器であって、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器であって、ガード電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器の電極片部分の拡大図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器の固定基板の平面図である。
【図５】振動発電器の振動体の平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片の端部と中間部とに注入される平均電荷密度を一定としたときの電荷密度イメージ図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片の端部に注入される平均電荷密度を中間部に注入される平均電荷密度より小さくしたときの電荷密度イメージ図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片の端部に注入される平均電荷密度を中間部に注入される平均電荷密度より大きくしたときの電荷密度イメージ図である。
【図９】図６〜図８における、端部の平均電荷密度と中間部の平均電荷密度との比に対する、誘導電荷量を示したグラフである。
【図１０】端部の幅と中間部の幅との配分を変化させた場合の、誘導電荷量を示したグラフである。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る振動発電器において、振動体に凹部と凸部を有したエレクトレット電極片を形成したときの断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片と固定電極片の断面拡大図である。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る振動発電器において、振動体に酸化膜を窒化膜で包んだエレクトレット電極片を形成したときの断面図である。
【図１４】本発明の第３の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片と固定電極片の断面拡大図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態の変形例を示す、エレクトレット電極片と固定電極片の断面拡大図である。
【図１６】従来の振動発電器であって、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。
【図１７】従来の振動発電器であって、ガード電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電器であって、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向した時の断面図であり、図２は、ガード電極片と固定電極片とが対向した時の断面図である。
【００１３】
図１及び図２に示されるように、シリコンやガラスなどからなる固定基板１０１上には、酸化膜などからなる絶縁膜１０２が設けられ、絶縁膜１０２上には、ポリシリコンなどからなる固定電極片１０３とガード電極片１０４とが交互に複数配置されている。また、絶縁膜１０２上には、シリコンやガラスもしくは金属体などのスペーサー１０５が設けられている。シリコンやガラスなどからなる振動体１０７は、少なくとも２つのばね１０６によってスペーサー１０５に接続されており、固定基板１０１上の固定電極片１０３及び第１のガード電極片１０４に対して空間を有して上方に配置されている。振動体１０７は、ばね１０６によって、Ｘ方向に振動可能となっている。振動体１０７には、絶縁膜１０２に対向するように、絶縁膜１０８が設けられている。そして、絶縁膜１０８上には、固定電極片１０３及び第１のガード電極片１０４に対向するように、酸化膜や窒化膜からなるエレクトレット電極片１０９とポリシリコンなどからなる第２のガード電極片１１０とが交互に複数配置されている。ここで、エレクトレット電極片１０９及び第２のガード電極片１１０が固定電極片１０３及び第１のガード電極片１０４と対向する方向を対向方向（Ｚ方向）として示し、対向方向（Ｚ方向）は振動方向（Ｘ方向）に直交するようになっている。スペーサー１０５上には、シリコンやガラスなどからなるふた基板１１１が設けられている。振動体１０７は、固定基板１０１、固定スペーサー１０５及びふた基板１１１によって、気密封止されるようになっている。
【００１４】
エレクトレット電極片１０９には、マイナスの電荷が注入されている。振動体１０７は、エレクトレット電極片１０９と第２のガード電極片１１０の方向にスライド振動するようになっており、図１のようにエレクトレット電極片１０９と固定電極片１０３が対向したとき、固定電極片１０３にプラスの誘導電荷が最も多く誘起され、図２のように第２のガード電極片１１０と固定電極片１０３が対向したとき、固定電極片１０３にプラスの誘導電荷が最も少なく誘起される。このような誘導電荷の増減により誘導電流が発生することとなり、発生した誘導電流は整流回路１１２により整流され、負荷１１３で電圧として出力されることによって、振動発電器が発電するようになっている。
【００１５】
図３は、第１の固定電極片１０１上の固定電極片１０３とガード電極片１０４、及び、振動体１０７上のエレクトレット電極片１０９と第２のガード電極片１１０、の拡大断面図である。エレクトレット電極片１０９は、振動方向端部（以下、「端部」という）の対向方向長さ（以下、「厚さ」という）が、振動方向中間部（以下、「中間部」という）の厚さより厚くなるよう形成されている。エレクトレット電極片１０９には、マイナスの電荷が注入されているが、これはコロナ放電により発生したマイナスの電荷を上方から降らせることによって行われている。そして、注入された電荷の平均電荷密度は、単位面積当たりの電荷量で算出され、エレクトレット電極片１０９の厚さに比例して増加することとなり、その結果、平均電荷密度は、中間部に比べて端部で高くなっている。
【００１６】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電器の固定基板１０１の平面図であり、図５は、本発明の実施形態に係る振動発電器の振動体１０７の平面図である。図４に示されるように、固定基板１０１における絶縁膜１０２上の固定電極片１０３は、一続きのパターン形状となる固定電極体１０３Ａを構成しており、固定電極体１０３Ａは、配線電極により整流回路１１２に接続されている。また、第１のガード電極片１０４は、一続きのパターン形状となる第１のガード電極体１０４Ａを構成しており、第１のガード電極体１０４Ａは、配線電極により所定の電位に設定可能であり、通常接地されている。
【００１７】
図５に示されるように、振動体１０７における絶縁膜１０８上の第２のガード電極片１１０は、一続きのパターン形状となる第２のガード電極体１１０Ａを構成しており、配線電極により所定の電位に設定可能であり、通常接地されている。エレクトレット電極片１０９は、一続きのパターン形状となっているが、一続きにならずに分断されていてもよい。
【００１８】
図６は、本発明の第１の実施形態に係る振動発電器において、エレクトレット電極片の端部と中間部とに注入される平均電荷密度を一定としたときの電荷密度イメージ図である。図７は、エレクトレット電極片の端部に注入される平均電荷密度を中間部に注入される平均電荷密度より小さくしたときの電荷密度イメージ図である。図８は、エレクトレット電極片の端部に注入される平均電荷密度を中間部に注入される平均電荷密度より大きくしたときの電荷密度イメージ図である。図６〜図８においては、エレクトレット電極片１０９の振動方向長さ（以下、「幅」という）を１とした場合、端部４０１の幅は、エレクトレット電極片１０９の振動方向両端縁から、それぞれ０．２である。そして、中間部４０２の幅は、エレクトレット電極片全体の幅１から両端部４０１の幅０．４を除いた、０．６である。
【００１９】
図６〜図８では、エレクトレット電極片１０９に注入される総電荷量Ｑを一定としている。そして、図６では、端部４０１の平均電荷密度と中間部４０２の平均電荷密度とは同じ値Ａとなっている。したがって、端部４０１には両端合わせて０．４Ｑの電荷が注入されており、中間部４０２には０．６Ｑの電荷が注入されている。
【００２０】
図７では、端部４０１の平均電荷密度はＡ／４となっており、中間部４０２の平均電荷密度は、３Ａ／２となっている。ここで、エレクトレット電極片１０９に注入される総電荷量はＱであるので、端部４０１には両端合わせて０．１Ｑの電荷が注入されており、中間部４０２には０．９Ｑの電荷が注入されている。
【００２１】
図８では、端部４０１の平均電荷密度は４Ａ／３となっており、中間部４０２の平均電荷密度は、７Ａ／９となっている。ここで、エレクトレット電極片１０９に注入される総電荷量はＱであるので、端部４０１には両端合わせて８Ｑ／１５の電荷が注入されており、中間部４０２には７Ｑ／１５の電荷が注入されている。
【００２２】
図９は、図６〜図８における、端部４０１の平均電荷密度と中間部４０２の平均電荷密度との比に対する、誘導電荷量を示したグラフである。図９の横軸が、端部４０１の平均電荷密度と中間部４０２の平均電荷密度との比を示しており、図９の縦軸が、誘導電荷量を示している。誘導電荷量は、エレクトレット電極片１０９と固定電極片１０３とが対向したときにおける、固定電極片１０３に発生する最大のプラスの誘導電荷と、第２のガード電極片１１０と固定電極片１０３が対向したときにおける、固定電極片１０３に発生する最小のプラスの誘導電荷と、の差で示される。
【００２３】
図６において、端部４０１と中間部４０２の平均電荷密度は両方ともＡであるので、端部平均電荷密度を中間部平均電荷密度で除した値（以下、「平均電荷密度比」という）は１である。図６の状態における誘導電荷量は、図９の５０１で示されている。図７において、端部４０１の平均電荷密度はＡ／４であり、中間部４０２の平均電荷密度は３Ａ／２であるので、平均電荷密度比は１／６である。図７の状態における誘導電荷量は、図９の５０２で示されている。図８において、端部４０１の平均電荷密度は４Ａ／３であり、中間部４０２の平均電荷密度は、７Ａ／９であるので、平均電荷密度比は１２／７である。図８の状態における誘導電荷量は、図９の５０３ａで示されている。
【００２４】
さらに、端部４０１の電荷密度を３Ａ／２とし、中間部４０２の電荷密度を２Ａ／３とした場合の誘導電荷量が、図９の５０３ｂで示されている。また、端部４０１の電荷密度を２Ａとし、中間部４０２の電荷密度をＡ／３とした場合の誘導電荷量が、図９の５０３ｃで示されている。
【００２５】
図９から明らかなように、平均電荷密度比を増加させる、すなわち、エレクトレット電極片１０９において、中間部４０２に対して端部４０１の平均電荷密度を増加させることによって、誘導電荷量を増大、つまり発電量を増加させることができる。これは、端部４０１の平均電荷密度を中間部４０２の平均電荷密度より高くすると、端部４０１の電気力線が中間部４０２の電気力線に影響を与え、対向する固定電極片１０３に誘導電荷を多く発生させるのに対して、端部４０１の平均電荷密度を中間部４０２の平均電荷密度より低くすると、端部４０１の電気力線は外側へ電気力線を広げ、中間部４０２の電気力線への影響が小さくなることにより、固定電極１０３に誘導電荷を発生させにくくなるためである。
【００２６】
前記構成の振動発電器によれば、次のような効果を発揮できる。
【００２７】
（１）エレクトレット電極片１０９の端部４０１は、エレクトレット電極片１０９の中間部４０２に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっているので、エレクトレット電極片１０９と固定電極片１０３とが対向して生じる誘導電荷量を増大させることができ、その結果、振動発電器の発電量を増加させることができる。
【００２８】
（２）固定電極片１０３は、振動体１０７の振動方向（Ｘ方向）に並んで複数設けられており、同様に、エレクトレット電極片１０９も、振動体１０７の振動方向（Ｘ方向）に並んで複数設けられているので、エレクトレット電極片１０９の本数を増加させることによって、振動発電器の発電量を増加させることができる。
【００２９】
（３）エレクトレット電極片１０９の端部４０１の厚さを中間部４０２の厚さより厚くすることによって、エレクトレット電極片１０９の端部４０１の平均電荷密度を中間部の平均電荷密度に比べて高くすることを、容易に達成することができる。
【００３０】
（４）固定基板１０１、スペーサー１０５及びふた基板１１１によって閉空間が構成され、外気が混入することのない気密封止とされているので、エレクトレット電極片１０９からの電荷の脱離を防止することができる。なお、封止構造については、上記実施形態に限定されるものではない。
【００３１】
（その他の実施形態）
上記第１の実施形態では、端部４０１の平均電荷密度を中間部４０２の平均電荷密度に対して増加させる手段として、端部４０１の厚さを中間部４０２の厚さより厚くしている。しかし、本発明では、端部４０１の平均電荷密度が中間部４０２の平均電荷密度より高くなれば良く、例えば、端部４０１に電荷流出抑制膜を形成することによって、同様の効果を得ることができる。なお、端部４０１の厚さを中間部４０２の厚さより厚くし、さらに、端部４０１に電荷流出抑制膜を形成することによって、端部４０１の平均電荷密度を中間部４０２の平均電荷密度に対してより増加させても良い。
【００３２】
上記第１の実施形態では、エレクトレット電極片１０９の本数が３本となっているが、通常、振動発電器のエレクトレット電極片１０９の数多く設けられている。注入される電荷が減じない幅まで、エレクトレット電極片１０９の幅を細くし、エレクトレット電極片１０９の本数を増加させることにより、振動周波数に対して負荷１１３で取り出す出力電圧の周波数を高め、発電量を増大させることができる。
【００３３】
上記第１の実施形態では、ばね１０６は、コイルばねとなっているが、コイルバネに限定されるものではなく、高反発弾性材料などばね動作をするものであれば良い。
【００３４】
上記第１の実施形態では、第１のガード電極片１０４及び第２のガード電極片１１０が設けられているが、これらは、固定電極片１０３とエレクトレット電極片１０９との容量変化比を大きくするために設けられたものであり、これらを設けなくても良く、また、これら以外のものを設けても良い。
【００３５】
固定基板１０１、絶縁膜１０２、固定電極片１０３、第１のガード電極片１０４、スペーサー１０５、振動体１０７、絶縁膜１０８、エレクトレット電極片１０９、第２のガード電極片１１０及びふた基板１１１を構成する材料については、上述した材料は一例である。すなわち、固定基板１０１やふた基板１１１は、樹脂基板や金属ブロックで構成されても良い。固定電極片１０３、第１のガード電極片１０４や第２のガード電極片１１０は、アルミや銅などの導電性材料で構成されても良い。エレクトレット電極片１０９は、有機系のエレクトレット材料で構成されても良い。
【００３６】
上記第１の実施形態では、整流回路１１２と振動体１０７とが接続される構成となっているが、エレクトレット電極片１０９の下部に同程度のサイズの電極が設けられ、その電極に整流回路１１２が接続される構成であっても良い。
【００３７】
上記第１の実施形態では、両端部４０１の幅をそれぞれエレクトレット電極片１０９全体の幅の２割とし、中間部４０２の幅をエレクトレット電極片１０９全体の幅の６割としているが、端部４０１の幅と中間部４０２の幅との配分はこれに限定されるものではない。図１０は、端部４０１の幅と中間部４０２の幅との配分を変化させた場合の、誘導電荷量を示したグラフである。図１０に示されるように、両端部４０１の幅をそれぞれ全体の幅の１〜３割とした場合、誘導電荷量は、平均電荷密度比を大きくすることによって、増加する傾向にあることがわかる。すなわち、両端部４０１の幅は、それぞれ全体の幅の１〜３割でも良く、中間部４０２の幅は、全体の幅の４〜８割でも良い。
【００３８】
上記第１の実施形態では、固定電極片とエレクトレット電極片とが上下方向に対向し、固定電極片１０３の上方にエレクトレット電極片１０９が位置するようになっているが、本発明は、固定電極片１０３とエレクトレット電極片１０９とが対向するように配置されれば良く、上述した位置関係に限定されることはない。例えば、固定電極片とエレクトレット電極片とが上下方向に対向し、固定電極片の下方にエレクトレット電極片が位置しても良く、また、固定電極片とエレクトレット電極片とが水平方向に対向して位置しても良い。
【００３９】
整流回路１１２への引き出し配線や、振動体１０７を接地する引き出し配線は、図１及び図２において、結線イメージで記載されているが、実際は、基板上の配線電極や基板貫通電極などを配置して接続されることは言うまでもない。
【００４０】
上記第１の実施形態では、エレクトレット電極片１０９にはマイナスの電荷が注入されているが、プラスの電荷が注入されても良い。プラスの電荷が注入された場合は、誘導電荷の極性が異なり電流方向が逆となるが、上記第１の実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４１】
（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る振動発電器であって、振動体に凹部と凸部を有したエレクトレット電極片を形成したときの断面図であり、図１２は、エレクトレット電極片と固定電極片の断面拡大図である。以下、第１の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４２】
図１１及び図１２で示されるように、シリコンやガラスなどからなる振動体１０７をエッチング技術などを用いて短冊状に深堀りし、その上に酸化膜１３０１を形成し、さらにその上に窒化膜１３０２を形成することによって、エレクトレット電極片凸部１３０３とエレクトレット電極片凹部１３０４とが形成される。エレクトレット電極片と対向する固定基板１０１上には、第１の固定電極片１３０５と第２の固定電極片１３０６とが配置され、それぞれの電極から整流回路１１２に接続され、負荷１１３で振動発電器の出力が取り出される構成となっている。
【００４３】
エレクトレット電極片には、図１２のようにマイナスの電荷が注入されており、通常酸化膜１３０１と窒化膜１３０２との界面に電荷が保持されており、エレクトレット電極片凸部１３０３とエレクトレット電極片凹部１３０４にも電荷が保持されている。第１の固定電極片１３０５や第２の固定電極片１３０６が、エレクトレット電極片凸部１３０３と対向した場合は、その距離が近接し対向容量が増大することからエレクトレット電極片凸部１３０３に注入されたマイナスの電荷に応じたプラスの誘導電荷が発生する。一方、第１の固定電極片１３０５や第２の固定電極片１３０６が、エレクトレット電極片凹部１３０４と対向した場合は、その距離が離間しており対向容量が小さくプラスの誘導電荷の発生は少ない、もしくは発生しない。つまりエレクトレット電極片凹部１３０４は、第１の実施形態の第２のガード電極片１１０と同様に動作する。このように誘導電荷が増減することにより電流が流れ、発電器として動作する。
【００４４】
このときエレクトレット電極片凸部１３０３とエレクトレット電極片凹部１３０４との境界では、振動体１０７が掘り込まれた端部となりここにも酸化膜１３０１と窒化膜１３０２との界面が存在し、ここでもマイナスの電荷が保持されている。つまりエレクトレット電極片凸部１３０３の端部ではこの影響から中央部と比べ電荷の平均電荷密度は、高くなっている。以上より、第１の実施形態と同様、端部の平均電荷密度の高いエレクトレット電極片により、振動発電器の発電量を増加させることができる。
【００４５】
また本構造によると、エレクトレット電極片が切れ目の少ない一続きの電極となるため、注入されたマイナスの電荷の流出経路が少なく、電荷保持の安定性が高い。
【００４６】
なお、整流回路に接続する２端子を、第１の実施形態のように固定電極片１０３と振動体１０７ではなく、第１の固定電極片１３０５と第２の固定電極片１３０６にすることにより端子接続などが容易になり、浮遊容量の影響を低減でき発電出力を向上させることができる。
【００４７】
上記第２の実施形態では、凸部及び凹部の両方にエレクトレット電極片が配置されるようになっているが、少なくとも凸部にエレクトレット電極片が配置されれば良い。
【００４８】
（第３の実施形態）
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る振動発電器であって、振動体に酸化膜を窒化膜で包んだエレクトレット電極片を形成したときの断面図であり、図１４は、エレクトレット電極片と固定電極片の断面拡大図である。以下、第１の実施形態又は第２の実施形態と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４９】
図１３及び図１４で示されるように、シリコンやガラスなどからなる振動体１０７上に酸化膜１０８を形成し、その上に窒化膜１５０１に包まれた酸化膜１５０２を形成することによって、エレクトレット電極片１５０３が形成される。エレクトレット電極片１５０３と対向する固定基板１０１上には、第１の固定電極片１３０５と第２の固定電極片１３０６とが配置され、それぞれの電極から整流回路１１２に接続され、負荷１１３で振動発電器の出力が取り出される構成となっている。
【００５０】
エレクトレット電極片１５０３には、図１４のようにマイナスの電荷が注入されており、通常窒化膜１５０１と酸化膜１５０２との界面に電荷が保持されている。第１の固定電極片１３０５や第２の固定電極片１３０６が、エレクトレット電極片１５０３と対向した場合は、その距離が近接し対向容量が増大することからエレクトレット電極片１５０３に注入されたマイナスの電荷に応じたプラスの誘導電荷が発生する。一方、第１の固定電極片１３０５や第２の固定電極片１３０６が、エレクトレット電極片１５０３がない部分と対向した場合は、誘導電荷の発生はない。つまりエレクトレット電極片１５０３がない部分は、第１の実施形態の第２のガード電極片１１０と同様に動作する。このように誘導電荷が増減することにより電流が流れ、発電器として動作する。
【００５１】
このときエレクトレット電極片１５０３の端部では、窒化膜１５０１と酸化膜１５０２との界面が振動方向と平行な平坦面だけでなく、振動方向と垂直な厚み方向にも存在し、ここにもマイナスの電荷が保持されている。つまりエレクトレット電極片１５０３の端部ではこの影響から中央部と比べ電荷の平均電荷密度は、高くなっている。以上より、第１の実施形態と同様、端部の平均電荷密度の高いエレクトレット電極片１５０３により、振動発電器の発電量を増加させることができる。
【００５２】
なお、エレクトレット電極片１５０３では、酸化膜１５０２の全周が窒化膜１５０１で被覆されているが、図１５のように、酸化膜１５０２の絶縁膜１０８側の面が窒化膜１５０１で被覆されていない場合においても、窒化膜１５０１と酸化膜１５０２との界面が、長手方向の平坦面（固定電極片１３０５，１３０６側の面）及び端部の垂直面に存在する場合、同様の効果を得ることができる。
【００５３】
上記第２の実施形態及び第３の実施形態では、エレクトレット電極片１３０３、１５０３は、酸化膜に窒化膜を被覆して構成されているが、第１の実施形態においても、エレクトレット電極片１０９は、酸化膜に窒化膜を被覆して構成されても良い。
【００５４】
また、上記第２の実施形態及び第３の実施形態のエレクトレット電極片の振動方向両端部には、上記第１の実施形態で説明した電荷流出抑制膜が形成されていることが好ましい。
【００５５】
特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、各種変形及び変更を行うことも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明にかかる振動発電器は、様々な外界の振動エネルギーに応用可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１０１  固定基板
１０２  絶縁膜
１０３  固定電極片
１０３Ａ  固定電極体
１０４  第１のガード電極片
１０４Ａ  第１のガード電極体
１０５  スペーサー
１０６  ばね
１０７  振動体
１０８  絶縁膜
１０９  エレクトレット電極片
１０９Ａ  エレクトレット電極体
１１０  第２のガード電極片
１１０Ａ  第２のガード電極体
１１１  ふた基板
１１２  整流回路
１１３  負荷
４０１  端部
４０２  中間部
４０３  端部と中間部とに注入される平均電荷密度が一定のときの電荷密度イメージ
４０４  端部に注入される平均電荷密度が中間部に注入される平均電荷密度より小さいときの電荷密度イメージ
４０５  端部に注入される平均電荷密度が中間部に注入される平均電荷密度より大きいときの電荷密度イメージ
５０１  平均電荷密度比が１のときの誘導電荷量
５０２  平均電荷密度比が１／６のときの誘導電荷量
５０３ａ  平均電荷密度比が１２／７のときの誘導電荷量
５０３ｂ  平均電荷密度比が９／４のときの誘導電荷量
５０３ｃ  平均電荷密度比が６のときの誘導電荷量
６０１  固定基板
６０２  絶縁膜
６０３  固定電極片
６０４  第１のガード電極片
６０５  スペーサーばね
６０６  ばね
６０７  振動体
６０８  絶縁膜
６０９  エレクトレット電極片
６１０  第２のガード電極片
６１１  ふた基板
６１２  整流回路
６１３  負荷
【図１】
2013145553.tif 000003
【図２】
2013145553.tif 000004
【図３】
2013145553.tif 000005
【図４】
2013145553.tif 000006
【図５】
2013145553.tif 000007
【図６】
2013145553.tif 000008
【図７】
2013145553.tif 000009
【図８】
2013145553.tif 000010
【図９】
2013145553.tif 000011
【図１０】
2013145553.tif 000012
【図１１】
2013145553.tif 000013
【図１２】
2013145553.tif 000014
【図１３】
2013145553.tif 000015
【図１４】
2013145553.tif 000016
【図１５】
2013145553.tif 000017
【図１６】
2013145553.tif 000018
【図１７】
2013145553.tif 000019
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月12日(2014.11.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動エネルギーを電力に変換する振動発電器であって、
固定基板と、前記固定基板に対して振動可能な振動体と、を備え、
前記固定基板には、固定電極片が配置され、
前記振動体には、前記固定電極片に対向するエレクトレット電極片が配置され、
前記振動発電器は、前記振動体の振動によって生じる、前記固定電極片と前記エレクトレット電極片との間の容量変化によって、発電するようになっており、
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部は、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっており、
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部の対向方向厚さは、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部の対向方向厚さに比べて、厚くなっている、振動発電器。
【請求項２】
前記固定電極片は、前記振動体の振動方向に並んで複数設けられており、
前記エレクトレット電極片は、前記振動体の振動方向に並んで複数設けられている、請求項１記載の振動発電器。
【請求項３】
前記振動体には、短冊状の凹部が形成され、これにより形成される凸部と凹部とをまたがるように電荷保持膜が形成されており、
少なくとも前記凸部には、前記エレクトレット電極片が配置されている、請求項１又は２に記載の振動発電器。
【請求項４】
前記エレクトレット電極片は、酸化膜に窒化膜を被覆して構成されている、請求項１〜３のいずれか１つに記載の振動発電器。
【請求項５】
前記エレクトレット電極片の振動方向両端部には、電荷流出抑制膜が形成されている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の振動発電器。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
振動エネルギーを電力に変換する振動発電器であって、固定基板と、前記固定基板に対して振動可能な振動体と、を備え、前記固定基板には、固定電極片が配置され、前記振動体には、前記固定電極片に対向するエレクトレット電極片が配置され、前記振動発電器は、前記振動体の振動によって生じる、前記固定電極片と前記エレクトレット電極片との間の容量変化によって、発電するようになっており、前記エレクトレット電極片の振動方向両端部は、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部に比べて、単位面積当たりの平均電荷密度が高くなっており、前記エレクトレット電極片の振動方向両端部の対向方向厚さは、前記エレクトレット電極片の振動方向中間部の対向方向厚さに比べて、厚くなっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明によれば、エレクトレット電極片と固定電極片とが対向して生じる誘導電荷量を増大させることができ、その結果、振動発電器の発電量を増加させることができる。そして、エレクトレット電極片の端部の平均電荷密度を中間部の平均電荷密度に比べて高くすることを、容易に達成することができる。
【国際調査報告】
2013145553.tif 000020
2013145553.tif 000021
2013145553.tif 000022
2013145553.tif 000023