JP2012110178A - 発電装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ばねを用いて可動基板を静止位置に戻す構成を用いた場合、発電と共にばねは伸縮し続けることになる。そのため、ばねに疲労劣化が生じ、信頼性が低下するという懸念がある。例えば、５０Ｈｚで１年間発電を行う場合、ばねは累積値で約１６億回屈伸を繰り返すこととなり、長期にわたる信頼性を確保することが難しいという課題があった。
【解決手段】第１基板の第１面に第１極性の電荷を保持する第１位置決め電極を備え、第２基板の第２面に前記第１基板の平面視で、第１極性と反対の第２極性の電荷を保持する第２位置決め電極とが、静止位置における前記平面視で、前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極との少なくとも一部を重ねた。第１基板が備える第１位置決め電極と、第２基板が備える第２位置決め電極との静電的な引力で第２基板を静止位置に引き戻せる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電装置及び電子機器に関する。

発電装置として、固定基板と可動基板とを対向配置し、可動基板の振動で静電誘導型発電を行うものが知られている。
この場合、例えば固定基板は可動基板と対向する面に、導体と荷電部材（エレクトレット）を重ねて櫛型に加工した固定電極を備えている。
そして、可動基板は、固定基板の固定電極側と対向する面に、固定基板の平面視で固定電極の一部と重なる可動電極を備えている。
可動基板を固定基板の平面方向に振動させると、可動電極に加えられた振動エネルギーは、当該電極間のクーロン引力を変化させる。そして、この変化分を電力として回収することで電気エネルギーに変換される。即ち、発電が為される。

固定基板と可動基板との位置関係がずれて安定した場合、発電効率が落ちるため、振動が加えられない状態では、固定基板と可動基板とが、静止位置に戻ることが好ましい。なお、静止位置とは、固定基板と可動基板との間の静電エネルギーが最小値をとり、固定基板と可動基板とが相対的に静止している状態にある位置関係を指すものとする。そのため、種々の技術が提案されてきている。

例えば、特許文献１では、図１１に示すように、複数のエレクトレット材料領域４０９を備えた第２の基板（固定基板）４０５と、複数の導電性表面領域４１１を備えた第１の基板（可動基板）４０７とが互いに所定の間隔を隔てて配置されている。
この場合、エレクトレット材料領域４０９を含む第２の基板（固定基板）４０５は固定され、導電性表面領域４１１を含む第１の基板（可動基板）４０７は固定構造４１７にばね４１９を介して連結されている。支持ばね４１９は第１の基板４０７の両側面に接続されており、このばね４１９により第１の基板４０７はＸ方向（矢印４２１で示される方向）の運動を行い、静止位置に戻ることができると開示されている。

また、特許文献２では、図１０に示すように、可動部４に磁性体のベアリングを用い、磁石３を固定基板１に埋め込むことで、磁界による引力で静止位置に戻せると開示されている。

特表２００５−５２９５７４号公報 特開２００８−１１３５１７号公報

しかしながら、特許文献１に示すように、支持ばね４１９を用いて可動基板を静止位置に戻す構成を用いた場合、発電と共にばねは伸縮し続けることになる。そのため、ばねに疲労劣化が生じ、信頼性が低下するという懸念がある。例えば、５０Ｈｚで１年間発電を行う場合、ばねは累積値で約１６億回屈伸を繰り返すこととなる。使用条件にもよるが、一般的なばねの寿命は屈伸回数で１０００万回〜１億回程度であり、長期にわたる信頼性を確保することが難しいという課題があった。

また、ばねを用いる場合には、１軸方向の振動エネルギーを変換して発電することはできるが、２軸（平面方向）の振動エネルギーを変換して発電することは可動基板を支えるばねが捩れてしまうことから困難であり、振動エネルギーの変換効率を高くすることが困難となる課題があった。

また、特許文献２に示すように、磁石３によって可動基板を静止位置に引き戻す構成を用いた場合、静電誘導型発電には、本来使われない磁石３を構成要素として用いることとなる。そのため、製造工程として、磁石３の影響を受けないよう製造プロセスを構築する必要があるが、そのための工数増や、予期せぬ影響により製造ラインにダメージを与える虞があった。

また、磁石３近傍では強い引力が発生するのに対し、磁石３とベアリングが離れた場合には、引力が弱くなる。そのため、弱い振動では可動基板の動きが悪くなる。即ち、発電効率が落ちるという課題があった。また、強い振動を受けた場合には、可動基板が磁石３から離れることとなる。磁力は磁石３との距離が離れると小さくなる。そのため、大きな振動エネルギーが加えられた場合には、静止位置から離れたところから静止位置に引き戻すまでの時間が長くなる。即ち、単位時間あたりの発電回数が減るため、発電効率を落としてしまうという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例にかかる発電装置は、電荷を保持し、発電を行う発電用の第１発電電極を第１面に備える第１基板と、前記第１面と、間隔を介して向き合う第２面を有し、前記第１基板の平面方向において静止位置から所定の範囲内で可動性を有する第２基板と、前記第２面に設けられ、前記静止位置における前記第１基板の平面視で、前記第１発電電極と少なくとも一部が重なり、発電を行う発電用の第２発電電極と、前記第１面に設けられ、第１極性の電荷を保持する第１位置決め電極と、前記第２面に設けられ、前記第１極性と反対の第２極性の電荷を保持する第２位置決め電極とを備え、前記静止位置における前記平面視で、前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極との少なくとも一部が重なることを特徴とする。

これによれば、第１基板が備える第１位置決め電極と、第２基板が備える第２位置決め電極とが静電的な引力で引き合う。そのため、発電を行うべく振動が加えられ、第１基板と第２基板とが平面方向に動いた場合に互いに引き戻す力が働き発電効率を維持できる状態を保つことができる。そのため、第１基板と第２基板との間での発電を安定して行わせることができる。
なお、静止位置とは、第１位置決め電極と第２位置決め電極との間の静電エネルギーが最小値をとり、第１基板と第２基板とが相対的に静止している位置を指すものとする。

［適用例２］上記適用例にかかる発電装置であって、前記第１位置決め電極および前記第２位置決め電極は、前記平面視で少なくとも一部が幅方向に重なる複数本の電極、または複数本の電極の一部を繋げた形状を含み、前記第１位置決め電極および／または前記第２位置決め電極の少なくとも片方は、互いに幅の異なる帯状または、互いに幅の異なる帯を屈曲させた帯形状を備えることを特徴とする。

上記した適用例によれば、第１位置決め電極および／または第２位置決め電極の少なくとも片方は、幅の異なる帯状または、幅の異なる帯状を屈曲させた形状を備えている。そのため、同じ幅の位置決め電極を用いた場合と比べ、第１位置決め電極と第２位置決め電極の重なり具合により生じる静電力を広い範囲で発生させることが可能となり、大きな振幅を持つ振動に対して発電可能な発電装置を提供することが可能となる。なお、帯状とは、局所的に帯状の電極がある場合でも良く、例えば帯状の電極の端部を繋げた構成を備えていても良い。

［適用例３］上記適用例にかかる発電装置であって、前記帯形状を備える領域は、幅方向に３本以上形成され、前記帯形状の間の間隔の少なくとも一部が互いに異なっていることを特徴とする。

上記した適用例によれば、帯形状同士の間隔を異なる値とすることで、第１基板と第２基板とが備える帯形状を有する第１位置決め電極と第２位置決め電極との重なり具合をより広い範囲で制御することができる。そのため、可動性を有する範囲を広くとることが可能となり、大きな振幅を持つ振動に対して発電可能な発電装置を提供することが可能となる。

［適用例４］上記適用例にかかる発電装置であって、前記帯形状を備える領域の少なくとも一部の幅が、前記第１発電電極及び前記第２発電電極の幅よりも広いことを特徴とする。

上記した適用例によれば、帯形状を備える領域の少なくとも一部の幅が、第１発電電極及び第２発電電極の幅よりも広いので、例えば第１基板と第２基板とが第１発電電極及び第２発電電極の幅よりも大きくずれても静止位置に引き戻すことが可能となる。

［適用例５］上記適用例にかかる発電装置であって、前記第２基板が前記静止位置から離れるにつれ、前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極の間で静止位置に戻す力を発生させるべく、前記平面視で前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極とが重なる領域の総面積が略単調に減少する形状を前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極とが有していることを特徴とする。

上記した適用例によれば、第１基板と第２基板が確実に静止位置に戻る発電装置を提供することが可能となる。
なお離れるとは、静止位置から第１基板と第２基板との相対的な位置が定常状態から離れていくことを示すものとする。
第１位置決め電極と第２位置決め電極の位置がずれると、第１位置決め電極と第２位置決め電極との間をコンデンサーとして見た場合、ｑを電荷、Ｃを容量とした場合、そのエネルギーは（ｑ²／２Ｃ）となる。微小変位で見た場合、重なる面積が減る（Ｃが減る）と発電装置系の総エネルギーが大きくなる。
通常はエネルギーが減る方向（安定した方向）に戻すよう力が働くので、発電装置系の総エネルギーが小さくなる状態、静止位置に戻る。加えて、フリンジ効果により生じる力（厚さ方向に対して、斜めに引き戻す方向に生じる）も引き戻しに関与するため、より強力に引き戻す力が発生する。
なお、略単調とは、発電装置の使用状況下において、速やかに準静止位置から静止位置に戻れる場合を含むものとする。ここで、静止位置から離れるにつれて単調に減少するよう設定することで、準静止位置の発生を避けることも好ましい。

［適用例６］上記適用例にかかる発電装置であって、前記第１発電電極または前記第２発電電極の少なくとも一方が電荷を保持するエレクトレット材を含むことを特徴とする。

上記した適用例によれば、第１発電電極または第２発電電極が電荷を保持するエレクトレット材を含んでいる。エレクトレット材を用いた場合には、第１発電電極または第２発電電極の荷電状態が安定しているため、安定した発電効率を保つことが可能となる。

［適用例７］本適用例にかかる電子機器は上記記載の発電装置を含むことを特徴とする。

上記した発電装置は、変形する領域が無いため、発電装置としての信頼性が高い。そのため、当該発電装置を備えることで信頼性が高い電子機器を提供することが可能となる。

（ａ）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、発電を行う領域内の状態を示す断面図。 （ａ）〜（ｄ）は、可動基板をずらした場合に可動基板を静止位置に引き戻す機構を示す模式図。 （ａ）は、発電装置の固定基板の平面図、（ｂ）は、可動基板の平面図、（ｃ）は固定基板と可動基板を重ねた状態での断面図。 は、第１復元部と第２復元部の一例を示す平面図。 は、復元部の形状を変えた場合の平面図。 は、復元部を辺方向に配置した場合の平面図。 は、復元部の形状の一例を示す平面図。 は、電子機器としてのＲＦタグを示す模式図。 は、背景技術を説明するための断面図。 は、背景技術を説明するための断面図。

以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して、第１実施形態について説明を行う。第１実施形態では、１軸方向の振動を元に発電する発電装置について説明する。
図１（ａ）は、発電装置の平面図、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’線断面図、（ｃ）は、（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。発電装置３００は、後述する櫛歯状同士が交差する方向（Ｘ方向）に可動性を備え、Ｘ方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。
発電装置３００は、第１基板としての固定基板１０１と、第２基板としての可動基板２０１とが間隔を介して向き合っている。
なお、「上」とは、固定基板１０１から可動基板２０１へ向かう方向と定義する。

固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａを備え、固定基板１０１の第１面側（固定基板本体１０１ａの第１面側）に、ガイド１０３、集電電極１０４、第１発電電極１０５、第１位置決め電極１０６と、を備える。第１発電電極１０５は、後述する第２発電電極２１１と協働して発電を行う発電用の電極である。

第１位置決め電極１０６は、複数の第１位置決め電極１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃを備えている。そして、第１位置決め電極１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃは一端で繋げられている。

可動基板２０１は、固定基板１０１の第１面と間隔を介して向き合っており、向き合った第２面側には、可動基板本体２０１ａ、第２発電電極２１１、ガイド２０３、そして後述する複数の第２位置決め電極２１２を備えている。
第２発電電極２１１は、第１発電電極１０５と協働して発電を行う発電用の電極である。

第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２は、共に帯形状を備え、固定基板１０１の平面視で少なくとも一部が幅方向に重なり、可動基板２０１を静止位置に近づける機能を備えている。

可動基板２０１は例えば第２位置決め電極２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃを備えている。そして、第２位置決め電極２１２ａ，２１２ｂ，２１２ｃは一端で繋げられている。
ここでは、第２位置決め電極２１２ａ、第２位置決め電極２１２ｂ、第２位置決め電極２１２ｃの幅をそれぞれ変えている。具体的には、第２位置決め電極２１２ａの幅が一番広く、第２位置決め電極２１２ｂ、第２位置決め電極２１２ｃの順で幅を順次狭く設定している。

そして、第２位置決め電極２１２ａと、第２位置決め電極２１２ｂとの間隔と第２位置決め電極２１２ｂと、第２位置決め電極２１２ｃとの間隔を異ならしている。具体的には、第２位置決め電極２１２ｂと、第２位置決め電極２１２ｃとの間隔の方を広く設定している。
なお、本実施形態では、可動基板２０１の電極幅を変えた例について説明しているが、これは固定基板１０１の電極幅を変えた場合と読み替えても良い。

第１発電電極１０５、第１位置決め電極１０６、第２位置決め電極２１２の構成材料としては、フッ素樹脂やフロロカーボン樹脂等の弗素系の高分子材料や、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等の無機材料、シリコン酸化物及びシリコン窒化物等の無機材料を用いることができる。
そして、荷電法としては、コロナ放電によって発生した正あるいは負イオンを上記した非導電性材に注入する方法や、直流高電圧を針状電極にかけて大気中でイオンを発生させて、このイオンを上記した非導電性材に注入する方法を用いることができる。
また、コロナ放電を間欠的に発生させる方法や、直流高電圧をパルス状に印加する方法等、断続的に荷電する方法を用いても良い。
上記した荷電方法を用いて、第１位置決め電極１０６は第１極性の電荷を保持し、第２位置決め電極２１２は第１極性と反対の第２極性の電荷を保持している。また、第１発電電極１０５は、どちらの極性の電荷を荷電されていても良い。

固定基板１０１と可動基板２０１は、互いにＸ方向に動けるようベアリング３５０を介して重ね合わされている。そして、集電電極１０４、第１発電電極１０５を含む第１発電部１１５と、可動基板２０１側にある第２発電電極２１１を含む第２発電部２１５により発電が行われる。集電電極１０４、第１発電電極１０５と、第２発電電極２１１は共に櫛歯状の電極構造を供えており、可動基板２０１は、櫛歯同士が交差する方向（Ｘ方向）に振動する。ここでは、櫛歯と垂直方向をＸ方向とした場合について説明を続ける。
第１位置決め電極１０６を含む第１復元部１１６と、第２位置決め電極２１２を含む第２復元部２１６は、互いに固定基板１０１と可動基板２０１とを静止位置に引き戻す力を発生させる。
なお、「静止位置」とは、第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２との間の静電エネルギーが最小値をとり、固定基板１０１と可動基板２０１とが相対的に静止している状態を指すものとする。
第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２は、静止位置において固定基板１０１の平面視で、平面的に一部が重なっている。

本実施形態では、第２位置決め電極２１２ａが、第１発電電極１０５及び第２発電電極２１１よりも広い幅を備えている。そのため、集電電極１０４と第２発電電極２１１とが１周期分以上ずれた場合でも最終的には静止位置に引き戻すことが可能となる。詳細については後述する。
また、第２位置決め電極２１２は、異なる幅を備え、異なる間隔を空けて幅方向に並んでいる。そのため広い範囲で第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２の重なり方を制御できる。詳細については後述する。なお、本実施形態では、第２位置決め電極２１２に、帯状の電極が幅や間隔の長さを変えた場合の説明を行っているが、これは、第１位置決め電極１０６を第２位置決め電極２１２と読み替えた構成を用いても良い。

固定基板本体１０１ａは、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に衝突せぬよう、固定基板本体１０１ａの可動基板２０１側の面は平坦な形状を備えている。
ガイド１０３は、ベアリング３５０が回転する方向を規定している。本実施形態では、１方向（Ｘ方向）に自由度を持つ発電装置３００を扱っている。そのため、この方向以外への移動を防止するためのガイド１０３を備えている。ガイド１０３は、固定基板本体１０１ａ上に樹脂を塗布（例えばディスペンサーを用いる）する方法や、感光性樹脂層を形成した後、フォトリソグラフ工程を用いて形成しても良い。また、ガイド１０３を積む構成に代えて、ベアリング３５０が１方向に回転するよう固定基板本体１０１ａや可動基板本体２０１ａに図示せぬ溝を形成しても良い。

可動基板本体２０１ａは、固定基板本体１０１ａと同様に、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、可動基板２０１が動いた場合に固定基板１０１と衝突せぬよう、可動基板本体２０１ａの固定基板１０１側の面は平坦化されている。そして、ガイド２０３は、ガイド１０３と共にベアリング３５０が回転する方向を規定している。

（発電機構）
以下、集電電極１０４、第１発電電極１０５、を含む第１発電部１１５と、第２発電電極２１１を含む第２発電部２１５に振動を与えることで発電を行う機構について説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、発電を行う領域内の状態を示す断面図である。

ステップＳ１として、図２（ａ）に示すように、第２発電部２１５が振動していない場合には、電気力線（矢印で示す）は時間的（図２（ｅ）の横軸としてｔで示す）に変動しないため、電気力線の状態の変化によって発生する電力は生じないため図２（ｅ）のＳ１に示すように発電は為されない。

次に、ステップＳ２として、図２（ｂ）に示すように、可動基板２０１をＸ−方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図２（ｅ）のＳ２に示すように電流ｉが流れる。そして、Ｘ−方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。

次に、ステップＳ３として、図２（ｃ）に示すように、静止位置に戻すと、今度は第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が増えることとなる。容量増加に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動し、図２（ｂ）の場合と反対向きの電流、即ち、図２（ｅ）のＳ３に示すように電流（−ｉ）が流れる。そして、静止位置に戻し静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。

次に、ステップＳ４として、図２（ｄ）に示すように、可動基板２０１をＸ＋方向に移動させると、可動基板２０１と固定基板１０１とがずれ、第２発電電極２１１と第１発電電極１０５とを含むコンデンサーの容量が減る。容量減少に伴い、抵抗Ｒを介して電荷が移動する。即ち、図２（ｅ）のＳ４に示すように電流ｉが流れる。そして、Ｘ＋方向に移動させて静止させると、電荷の移動が終了し、電荷の移動、即ち電流ｉが止まる。

この動作を繰り返すことで、振動のエネルギーを元に発電を行うこととなる。なお、櫛歯状の電極を含む場合、複数個の電極を跨いで振動させても良く、この場合においても発電させることができる。
また、本実施形態では、集電電極１０４、第１発電電極１０５、を含む第１発電部１１５と、第２発電電極２１１を含む第２発電部２１５に振動を与えることで発電を行う機構について説明したが、第１発電部１１５を可動基板２０１に載せ、第２発電部２１５を固定基板１０１に載せても良い。

また、第１発電電極１０５と、第２発電電極２１１との少なくとも片方を、電荷を保持した状態（エレクトレット）としても良い。第１発電電極１０５または第２発電電極２１１に電荷を保持するエレクトレット材を用いた場合でも、第１発電電極または第２発電電極の少なくともいずれかにより荷電状態が安定しているため、安定した発電効率を保つことが可能となる。

（引き戻し機構）
以下に、上記した発電装置３００を発電可能な状態に保持するための引き戻し機構について説明する。図３（ａ）〜（ｄ）は、図１（ｂ）に対応する断面図であり、可動基板をずらした場合に可動基板を静止位置に引き戻す機構を示す模式図である。
図１（ｂ）に示すように、発電装置３００が備える、第２位置決め電極２１２は、異なる幅で、異なる間隔を持つ帯状の形状を備えている。
以下、図３を用いて発電装置３００における、可動基板２０１の引き戻し機構について説明する。

まず図３（ａ）は、可動基板２０１が静止位置にある場合を示す。この場合には平衡状態にあり、引き戻す力は発生しない。

次に、図３（ｂ）に示すように、可動基板２０１に、Ｘ−方向とＹ−方向に対して力が加えられた場合、Ｙ−方向の力は、ガイド１０３，２０３（図１（ｃ）参照）により抑えられるため、Ｙ−方向には移動しない。
そのため、Ｘ−方向に可動基板２０１を動かす力が残り、可動基板２０１はＸ−方向に移動する。

次に、図３（ｃ）に示すように、可動基板２０１の第２位置決め電極２１２と固定基板１０１の第１位置決め電極１０６とが引き付けあい、Ｘ＋方向に引力が発生する。そのため、可動基板２０１のＸ−方向に進む速度は時間経過と共に小さくなり、今度はＸ＋方向に進んでいくこととなる。

次に、図３（ｄ）に示すように、静止位置に達した後、可動基板２０１の慣性力により、静止位置を通過して今度はＸ＋方向に進んでいく。

この間、第１発電部１１５と第２発電部２１５とにより発電が行われる。換言すれば、可動基板２０１の運動エネルギーを電力に変換していく。そのため、可動基板２０１の振れ幅は徐々に小さくなり、最終的には静止位置で静止する。静止する前に再び力が加えられると、同様の動作を繰り返して発電が為される。
この場合、第２位置決め電極２１２のうち、最も大きな幅を備えた第２位置決め電極２１２ａの幅が、第１発電電極１０５や第２発電電極２１１よりも広い幅を備えていることで、静止位置から大きく（例えば、第２発電電極２１１の幅よりも大きく）ずれた場合でも、第１位置決め電極１０６の端の部分で復元力を得ることができ、静止位置に引き戻すことを可能としている。

そして、第２位置決め電極２１２は、上記したように異なる幅を備え、また異なる間隔の帯状を為す形状を備えている。そのため広い範囲で第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２の重なり方を制御できる。つまり、広い振幅範囲で、安定した強度で引き戻し力を発生させることができる。
そのため、例えば静止位置近傍では、弱い引き戻し力を発生させることで、小さい振幅の場合に振幅の減衰を抑えて発電することで発電効率を高めることができる。
また、例えば強い大きい振幅が与えられた場合では、強い引き戻し力を発生させて引き戻し動作を行うことが可能となる。強い引き戻し力を発生させることで、可動基板２０１を発電効率が高い第１発電部１１５、第２発電部２１５近傍で往復させることができる。即ち、高い発電効率（可動基板２０１の振動エネルギーが小さい損失で電気エネルギーに変換される）を得ることが可能となる。

上記した発電装置は、以下の効果を奏する。

図１に示すように、ばねに比べ疲労劣化に強いベアリング３５０を用いた発電装置３００を含むことから、信頼性を向上させることができる。具体的には、例えば振動周期として５０Ｈｚで振動させた場合、１年間では約１６億回屈伸することとなる。ばねの耐用屈伸回数は、典型的な金属ばねで１０００万回〜１億回程度であり、信頼性の確保が難しい。一方、ベアリング３５０を用いた場合、屈伸する部分を持たないことから劣化要因を持たないこととなり、信頼性を向上させることが可能となる。

可動基板２０１が静止位置から大きくずれた場合には、ずれ量に応じて大きな復元力が働くことが好ましい。可動基板２０１が静止位置から大きくずれた場合に、従来の構成のように磁石３（図１０参照）を用いて静止位置に導く構成を用いると、磁力は距離の二乗に反比例するため、静止位置に戻すまで時間が掛かり、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が落ちる。また、可動基板２０１に弱い振動が与えられた場合には、今度は磁石３の保持強度が強くなり、可動基板２０１の動きが悪くなるため、やはり振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が落ちる。
一方、本実施形態で用いた、第２位置決め電極２１２（図１参照）として、異なる幅を備えた構成を用いることで、ずれ量が大きい場合に、静止位置へ速やかに導く強い静電引力を発生させることができる。そのため、静止位置に戻すまでの時間が短縮され高い発電効率を得ることができる。また、可動基板２０１に弱い振動が与えられた場合には、弱い静電気力で可動基板２０１の振幅を確保できるため、エネルギーの変換効率を高く保つことができる。

第２位置決め電極２１２ａ（図１参照）が、第１発電電極１０５及び第２発電電極２１１よりも広い幅を備えている。そのため、第１発電電極１０５と第２発電電極２１１とが１周期分以上ずれた場合でも最終的には静止位置に引き戻すことができる。

櫛歯状の電極を含む場合、複数個の第１発電電極１０５を第２発電電極２１１が跨ぐように振動させても良い。この場合、大きな振幅で可動基板２０１が振動しても振動エネルギーを電気エネルギーに変換、即ち発電を行うことができる。

磁石３（図１０参照）によって可動基板２０１を静止位置に引き戻す構成を用いた場合、静電誘導型発電には、本来使われない磁石３を構成要素として用いることとなる。そのため、製造工程として、磁石３の影響を受けないよう製造プロセスを構築する必要があるが、そのため工数が増加する。また、予期せぬ影響により製造ラインにダメージを与える虞があったが、静電誘導型発電に通常用いられる物質を用いて発電装置３００（図１参照）を形成できるので、工数増を抑え、かつ製造ラインに対する予期せぬダメージの発生を抑えることができる。

また、磁石３（図１０参照）を用いた場合、磁性粉が発電装置３００内に浸入した場合、磁性粉が磁石３（図１０参照）に付着し、可動部４の動きが規制され、発電効率を落とす、または発電不能になる。そのため、発電装置を隙間無く囲える筐体中に収める必要があるが、本実施形態に示す構成を取ることで、多少の磁性粉が浸入しても発電効率の低下が抑えられるため、信頼性が高い発電装置を提供することが可能となる。
なお、第２位置決め電極２１２ａ（図１参照）等に塵埃が若干付着しても、固定基板１０１と可動基板２０１の振動は行われるため、筐体として気密性が低いものを用いることができる。

（第２実施形態）
以下、図面を参照して、第２実施形態について説明を行う。第２実施形態では、２軸（ＸＹ：平面）方向の振動を元に発電する発電装置について説明する。ここで、第１実施形態と同様な構成については同一の符号を付け、詳細な説明については省略する。
図４（ａ）は、発電装置の固定基板の平面図、（ｂ）は、可動基板の平面図、（ｃ）は固定基板と可動基板とを重ねた状態での断面図である。この発電装置４００は、平面方向に可動性を備え、平面方向の振動エネルギーを電気エネルギーに変換するものである。

発電装置４００は、固定基板１０１と、可動基板２０１を備える。

固定基板１０１は、固定基板本体１０１ａ、ガイド１０３、集電電極１０４、第１発電電極１０５、第１復元部１１６Ｍと、を備える。
集電電極１０４と第１発電電極１０５とは厚さ方向に重なっており、固定基板本体１０１ａの可動基板２０１側の面には、集電電極１０４と第１発電電極１０５が、略Ｕ字形状を向きを変えながら連なった形状を備える第１発電部１１５が形成されている。第１復元部１１６Ｍについては後述する。

可動基板２０１は、可動基板本体２０１ａ、ガイド２０３、第２発電電極２１１、第２復元部２１６Ｍと、を備える。
可動基板本体２０１ａの固定基板１０１側の面には、固定基板１０１と重ねた場合に第１発電電極１０５と重なるよう、第２発電電極２１１は第１発電電極１０５を鏡像反転させたパターンを備えている。第２復元部２１６Ｍについては後述する。

固定基板本体１０１ａや可動基板本体２０１ａは、第１実施形態同様、構成部材として例えばガラスやプラスティックが用いられている。そして、第１発電電極１０５、第１位置決め電極１０６、第２位置決め電極２１２もそれぞれ第１実施形態同様の材質と荷電法を用いて形成されている。

固定基板１０１と可動基板２０１は、互いに平面方向に動けるようベアリング３５０を介して重ね合わされている。ここで、可動基板２０１側には、ベアリング３５０があるべき位置を示すべく、ベアリング３５０を固定基板１０１と重複させて図示している。

ガイド１０３，２０３は、可動基板２０１の固定基板１０１に対する可動領域を制限する機能を備えている。可動基板２０１が相対的に動ける範囲は、ベアリング３５０がガイド１０３，２０３の内側にある範囲となる。

第１復元部１１６Ｍは固定基板１０１の例えば４隅に配置されている。そして、可動基板２０１の４隅には、第２復元部２１６Ｍが配置されている。第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍは、固定基板１０１と、可動基板２０１とを重ねた場合に復元力を発揮させるべく、略鏡像反転させたパターンを備えている。そして、可動基板２０１側の第２復元部２１６Ｍは、それぞれ幅の異なる帯を屈曲させた帯形状を備えている。また、固定基板１０１側の第１復元部１１６Ｍは、同じ幅の帯を屈曲させた帯形状を備えている。
図５は、第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍの一例を示す平面図である。可動基板２０１と、固定基板１０１とを重ねた場合に復元力を発揮させるべく、第１復元部１１６Ｍは第１位置決め電極１０６を含み、第２復元部２１６Ｍは第２位置決め電極２１２を含んでいる。第２位置決め電極２１２の最も太いパターン幅は、第１発電電極１０５のパターン幅よりも大きい幅を備えている。
第２位置決め電極２１２の少なくとも一部が、第１発電電極１０５や第２発電電極２１１よりも広いパターン幅を備えていることで、静止位置から大きく（例えば、第２発電電極２１１の幅よりも大きく）ずれた場合でも、第１位置決め電極１０６の端の部分で復元力を得ることができ、静止位置に引き戻すことを可能としている。

第２位置決め電極２１２は、異なる間隔で配置され、また互いに幅の異なる帯を屈曲させた帯形状を備えている。そのため広い範囲で第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２の重なり方を制御できる。つまり、広い振幅範囲で、安定した強度で引き戻し力を発生させることができる。そして第１位置決め電極１０６と第２位置決め電極２１２とは、引き戻し力が生じるよう固定基板１０１の平面視で一部が重なっている。
そのため、例えば静止位置近傍では、弱い引き戻し力を発生させることで、小さい振幅の場合に振幅の減衰を抑えて発電するようにして発電効率を高めることができる。
また、第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍの形状は、別の形状を備えていても良い。図６は、復元部の形状を変えた場合の平面図である。第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍは、斜めの帯状の形状を備えており、互いに略鏡像反転させたパターンを備えている。このような形状を用いても同様に、広い振幅範囲で、安定した強度で引き戻し力を発生させることができる。この場合も、第２復元部２１６Ｍの第２位置決め電極２１２を、外側に向けて幅を細くしている。
また、第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍは、固定基板１０１と可動基板２０１との角に位置する場合以外にあっても良い。図７は、復元部を辺方向に配置した場合の平面図である。第１復元部１１６Ｍと第２復元部２１６Ｍを辺方向に配置した以外は、図４と同じであるので、説明を省略する。
図８は、図７における復元部の形状の一例を示す平面図である。第２復元部２１６Ｍは、外側に向かうにつれて幅を小さくしている。このような形状を用いても、同様に、広い振幅範囲で、安定した強度で引き戻し力を発生させることができる。

なお、図５、図６、図８では他の復元部については図示を省略しているが、他の復元部は対称性を持った平面形状をそれぞれ備えている。
また、上記した復元部の形状として、帯状の形状を用いたが、これは不定形形状を備えていても良い。具体的には、固定基板１０１の第１位置決め電極１０６と、可動基板２０１の第２位置決め電極２１２とが、静止位置から離れるにつれて、固定基板１０１の平面視で重なる面積が単調に減少していく構成を備えていれば良い。平面視で重なる面積が減ることで、第１位置決め電極１０６と、可動基板２０１の第２位置決め電極２１２とが持つエネルギーは増大するため、エネルギー的に不安定な状態となる。そのため、エネルギーを減らす方向（静止位置に向かう方向）に可動基板２０１を引き戻す力が働くこととなり、最終的に静止位置に戻ることとなる。
また、通常加えられる振動に対してわずかな振動で乗り越えられる程度であれば、面積減少の単調性が保たれていなくても良い。

本実施形態における発電装置は、上述した実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。

ばねを用いて可動基板２０１を支えると、２軸（平面方向）の振動エネルギーを変換して発電することは可動基板２０１を支えるばねが捩れてしまうことから困難であるが、本実施形態の構成を用いることで、平面方向の振動エネルギーを変換して発電することが可能となり、発電効率を上げることができる。

第１復元部１１６Ｍと、第２復元部２１６Ｍとを備え、さらに第２復元部２１６Ｍのパターン幅を順次小さくすることで、広い振幅範囲で、安定した強度で引き戻し力を発生させることができる。

階段状のパターンに限定されることなく、斜めの帯状形状等を用いることができるため、第１復元部１１６Ｍ、第２復元部２１６Ｍのパターンの自由度を高くすることが可能となり、レイアウト設計が容易となる。

第１復元部１１６Ｍ、第２復元部２１６Ｍを発電装置４００の４隅に置くことに限定されず、辺方向に配置することができるので、さらにレイアウト設計が容易となる。

固定基板１０１の第１位置決め電極１０６と、可動基板２１０の第２位置決め電極２１２とが、静止位置から離れるにつれて、平面的に重なる面積が単調に減少していく構成を備えていることが好ましい。この場合、固定基板１０１の第１位置決め電極１０６と、可動基板２１０の第２位置決め電極２１２とが持つエネルギーは増大する。そのため、静止位置から離れるにつれてエネルギー的に不安定な状態となる。そのため、エネルギーを減らす方向（静止位置に向かう方向）に可動基板２１０を引き戻す力が働くこととなり、最終的に静止位置に戻る。従って、例えば固定基板１０１と可動基板２１０とに第１発電部１１５、第２発電部２１５のレイアウト設計を終え、空いたスペースに第１位置決め電極１０６と、第２位置決め電極２１２とを配置することが可能となるので、さらにレイアウト設計が容易となる。

（電子機器）
以下、図面を参照して、上記実施形態にかかる発電装置３００（または４００）を搭載した電子機器について説明を行う。図９は、電子機器としてのＲＦタグを示す模式図である。ＲＦタグ５００は、発電装置３００または４００、ダイオードブリッジ５１０、電気二重層キャパシター５２０、ＲＦ出力部５３０と、を備える。

発電装置３００，４００で発電された交流電力は、ダイオードブリッジ５１０を通すことで整流され電気二重層キャパシター５２０（他の構造を持つキャパシターや二次電池等を用いても良い）に蓄えられ、直流として蓄積、出力される。静電誘導型発電を用いた発電装置３００，４００は、構造により発電電圧が異なるが、尖頭値で概ね１０〜３０Ｖ程度の出力電圧で発電する。ダイオードブリッジ５１０に通常のシリコンダイオードを用いた場合、１．２Ｖ程度の順方向電圧の降下が発生するが、出力電圧が高いことから電力のロスを抑えて整流することが可能である。そして電気二重層キャパシター５２０に蓄えられた電力を元に、ＲＦ出力部５３０から電波の形で信号が出力される。

この電子機器は、上述した実施形態の効果に加え、以下の効果を奏する。

大きな復元力を必要とする、可動基板２０１（図１参照）が静止位置から大きくずれた場合に、磁石３（図１０参照）を用いて静止位置に導く構成を用いると、磁力は距離の二乗に反比例するため、静止位置に戻すまで時間が掛かり、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する効率が落ちる。それに対して本実施形態で用いた電極構成を用いることで、静止位置から大きくずれた場合には強い静電引力で静止位置に導かれる。そのため、静止位置に戻すまでの時間が短縮され高い発電効率を得ることができる。また、可動基板２０１に弱い振動が与えられた場合には、弱い静電気力で可動基板２０１の振幅を確保できるため、エネルギーの変換効率を高く保つことができ、振動エネルギーの強弱に対して安定した発電効率が得られるため、通信を安定して行うことが可能となる。

ばねを用いて可動基板を支える発電装置を用いた場合と比べ、高い信頼性を持った電子機器としての、図９に示したＲＦタグ５００が得られる。そのため、例えば交換が困難な場所にＲＦタグ５００を埋め込む用途にも対応することが可能となる。また、ベアリング３５０の直径そのものがギャップ間隔となるので、ギャップ精度を高くすることが可能となる。ギャップ精度が高いことからギャップ量を小さくすることが可能となるため、発電効率を高くすることができ、振動強度が小さい場所でも通信を行うことが可能となる。

３…磁石、４…可動部、１０１…固定基板、１０１ａ…固定基板本体、１０３…ガイド、１０４…集電電極、１０５…第１発電電極、１０６…第１位置決め電極、１０６ａ…第１位置決め電極、１１５…第１発電部、１１６…第１復元部、１１６Ｍ…第１復元部、２０１…可動基板、２０１ａ…可動基板本体、２０３…ガイド、２１０…可動基板、２１１…第２発電電極、２１２…第２位置決め電極、２１２ａ…第２位置決め電極、２１２ｂ…第２位置決め電極、２１２ｃ…第２位置決め電極、２１５…第２発電部、２１６…第２復元部、２１６Ｍ…第２復元部、３００…発電装置、４００…発電装置、４０５…第２の基板、４０７…基板、４０９…エレクトレット材料領域、４１１…導電性表面領域、４１９…支持ばね、４２１…矢印、５００…ＲＦタグ、５１０…ダイオードブリッジ、５２０…電気二重層キャパシター、５３０…ＲＦ出力部。

Claims (7)

1. 電荷を保持し、発電を行う発電用の第１発電電極を第１面に備える第１基板と、
   前記第１面と、間隔を介して向き合う第２面を有し、前記第１基板の平面方向において静止位置から所定の範囲内で可動性を有する第２基板と、
   前記第２面に設けられ、前記静止位置における前記第１基板の平面視で、前記第１発電電極と少なくとも一部が重なり、発電を行う発電用の第２発電電極と、
   前記第１面に設けられ、第１極性の電荷を保持する第１位置決め電極と、
   前記第２面に設けられ、前記第１極性と反対の第２極性の電荷を保持する第２位置決め電極と、を備え、
   前記静止位置における前記平面視で、前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極との少なくとも一部が重なることを特徴とする発電装置。
2. 請求項１に記載の発電装置であって、
   前記第１位置決め電極および前記第２位置決め電極は、前記平面視で少なくとも一部が幅方向に重なる複数本の電極、または複数本の電極の一部を繋げた形状を含み、
   前記第１位置決め電極および／または前記第２位置決め電極の少なくとも片方は、
   互いに幅の異なる帯状または、互いに幅の異なる帯を屈曲させた帯形状を備えることを特徴とする発電装置。
3. 請求項２に記載の発電装置であって、前記帯形状を備える領域は、幅方向に３本以上形成され、前記帯形状の間の間隔の少なくとも一部が互いに異なっていることを特徴とする発電装置。
4. 請求項２または３に記載の発電装置であって、
   前記帯形状を備える領域の少なくとも一部の幅が、前記第１発電電極及び前記第２発電電極の幅よりも広いことを特徴とする発電装置。
5. 請求項１に記載の発電装置であって、
   前記第２基板が前記平面方向において前記静止位置から離れるにつれ、前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極との間で前記静止位置に戻す力を発生させるべく、前記平面視で前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極とが重なる領域の総面積が略単調に減少する形状を前記第１位置決め電極と前記第２位置決め電極とが有していることを特徴とする発電装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置であって、前記第１発電電極または前記第２発電電極の少なくとも一方が電荷を保持するエレクトレット材を含むことを特徴とする発電装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電装置を含むことを特徴とする電子機器。

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