JP2021078352A - 振動発電素子および振動発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環境振動を高い効率で電気エネルギーに変化する振動発電素子を提供する。【解決手段】外部からの振動により交流電力を出力線Ｗａ、Ｗｂから出力する振動発電素子１０は、出力線に接続されていない中間電極１２と、中間電極１２と対向して配置され、中間電極１２と対向する面の表面の少なくとも一部にエレクトレット１５を有する複数のエレクトレット電極１１と、中間電極１２と複数のエレクトレット電極１１とを互いに相対振動自在に保持する保持部１４と、中間電極１２に、複数のエレクトレット電極１１の表面に形成されているエレクトレット１５とは逆特性の電荷を注入する電荷注入器３０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、振動発電素子および振動発電装置に関する。

環境振動からエネルギーを収穫するエナジーハーベスティング技術の一つとして、ＭＥ
ＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）振動素子である振動発電素子を用いて環境振
動から発電を行う手法が知られている。振動発電素子自体は、圧電素子や静電容量型素子
を備え、それを環境振動の周波数で振動させると、その周波数に等しい交流の電力を発生
する素子である。静電誘導型振動発電素子は、複数の電極が相互に振動することにより生
じる誘導電荷により発電を行う（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−２２８２８３号公報

環境振動の振動エネルギーは微弱であるため、環境振動を高い効率で電気エネルギーに
変換する振動発電素子が求められている。

本発明の第１の態様による振動発電素子は、外部からの振動により交流電力を出力線か
ら出力する振動発電素子において、前記出力線に接続されていない中間電極と、前記中間
電極と対向して配置され、前記中間電極と対向する面の表面の少なくとも一部にエレクト
レットを有する複数のエレクトレット電極と、前記中間電極と前記複数のエレクトレット
電極とを互いに相対振動自在に保持する保持部と、前記中間電極に、前記複数のエレクト
レット電極の表面に形成されているエレクトレットとは逆特性の電荷を注入する電荷注入
器と、を備えている。
本発明の第２の態様による振動発電装置は、第１の態様による振動発電素子振動発電素
子と、電源装置とを備えている。

本発明によれば、環境振動のエネルギーを高効率で電気エネルギーに変換することがで
きる。

本発明の実施形態の振動発電素子１０、および振動発電素子１０を備える振動発電装置１００の構成を表す図。 実施形態の振動発電素子１０の動作原理を説明する図。図２（ａ）〜（ｃ）は、エレクトレット電極１１に対する中間電極１２の各相対位置におけるエレクトレット電極１１および中間電極１２に誘起される電荷を表す図。 中間電極１２が中性化した場合の動作の一態様を説明する図。図３（ａ）〜（ｃ）は、エレクトレット電極１１に対する中間電極１２の各相対位置におけるエレクトレット電極１１および中間電極１２に誘起される電荷を表す図。 変形例１の振動発電素子１０ａを表す図。 変形例２の振動発電素子１０ｂを表す図。 変形例３の振動発電素子１０ｃを表す図。図５（ａ）は振動発電素子１０ｃの上面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＢ−Ｂ断面を−Ｙ方向から見た断面図。 変形例４の振動発電素子１０ｄを表す図。 変形例５の振動発電素子１０ｅ、および振動発電素子１０ｅを備える振動発電装置１００ｂの構成を表す図。 変形例６の振動発電素子１０ｆの構成を表す図。

（実施形態）
以下、図を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の
振動発電素子１０を備える振動発電装置１００を表す図である。振動発電装置１００は、
振動発電素子１０と、電源装置４０とを有する。静電容量型の振動発電素子１０は、第１
エレクトレット電極１１ａと、第２エレクトレット電極１１ｂと、これら２つエレクトレ
ット電極１１ａ，１１ｂの間に配置される中間電極１２とを有している。

第１エレクトレット電極１１ａは、支持枠１３に固定されているとともに、中間電極１
２と対向する面の表面に、一例として負電荷のエレクトレット１５ａが形成されている。
第２エレクトレット電極１１ｂも、支持枠１３に固定されているとともに、中間電極１
２と対向する面の表面に、一例として負電荷のエレクトレット１５ｂが形成されている。

エレクトレット１５ａ、１５ｂは、例えば、特開２０１４−０４９５５７号公報に記載
される公知の帯電処理を施すことにより、形成されている。
エレクトレット１５ａとエレクトレット１５ｂとを、併せてエレクトレット１５とも呼
ぶ。
また、第１エレクトレット電極１１ａと第２エレクトレット電極１１ｂのようにエレク
トレット１５が形成されている電極を、併せてエレクトレット電極１１とも呼ぶ。

中間電極１２は、バネ等の弾性変形する保持部１４を介して支持枠１３に保持されてい
る。従って、支持枠１３を含む振動発電素子１０が図１中に図示したＸ方向（図１中の上
下方向）に振動すると、保持部１４の弾性変形により、中間電極１２は第１エレクトレッ
ト電極１１ａおよび第２エレクトレット電極１１ｂに対して、Ｘ方向に相対的に振動する
。具体的には、中間電極１２と第１エレクトレット電極１１ａとの間の静電容量（電極間
対向面積）と、中間電極１２と第２エレクトレット電極１１ｂとの間の静電容量（電極間
対向面積）とが逆位相で増減するように、中間電極１２の振動に伴う電極間の相対振動が
生じる。このように中間電極１２と２つのエレクトレット電極１１との間の静電容量が相
互に逆位相で変動するので、互いに噛合する固定櫛歯電極と可動櫛歯電極を相対移動させ
た静電容量型振動発電素子に比べて、発電効率がよい。

中間電極１２とエレクトレット電極１１との相対振動により、第１エレクトレット電極
１１ａおよび第２エレクトレット電極１１ｂには、正または負の電荷、第１実施の形態で
は正の電荷が誘起され、交流電力が発電される。これらの電荷は、第１エレクトレット電
極１１ａに接続された導電体の配線Ｗａ、および第２エレクトレット電極１１ｂに接続さ
れた導電体の配線Ｗｂにより、振動発電素子１０の外部に設けられた電源装置４０に送電
される。

電源装置４０は、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４を含むブリッジ方式の全波整流回路を有
する。配線ＷａはダイオードＤ１のアノードとダイオードＤ２のカソードに接続され、配
線ＷｂはダイオードＤ４のアノードとダイオードＤ３のカソードに接続されている。
ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ４のカソードは、電源装置４０の第１出力端
Ｖｏ１に接続され、ダイオードＤ２のアノードとダイオードＤ３のアノードは、電源装置
４０の第２出力端Ｖｏ２に接続されるとともに、接地電位に維持されている。

中間電極１２には、中間電極１２に電荷を注入するための電荷注入配線ＷＩの一端が接
続されている。
電荷注入配線ＷＩの他端は抵抗素子ＲＩの一端に接続されている。抵抗素子ＲＩの他端
は、電源装置４０内のダイオードＤ２のアノード、およびダイオードＤ３のアノードに接
続され、すなわち接地電位に維持されている。

振動発電素子１０が振動のエネルギーを変換して生成した交流電力は、電源装置４０に
より、第２出力端Ｖｏ２に接地電位、第１出力端Ｖｏ１に正の電位を有する電力として出
力される。
なお、電源装置４０は、例えばコンデンサや、チョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータを含
む電圧変換器を備えていても良い。

以下、図２を参照して実施形態の振動発電素子１０を用いた振動発電装置１００の動作
原理を説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は、中間電極１２が第１エレクトレット電極１１ａおよび第２エレ
クトレット電極１１ｂに対してＸ方向に振動（移動）する際に、各相対位置において各電
極内に誘起される電荷の状態を表わしている。

図２（ａ）は、中間電極１２が、振動の中間点(以下、中立点とも呼ぶ)にある場合の電
荷の状態を表わす。
中間電極１２の＋Ｘ側の端部は、第１エレクトレット電極１１ａの表面に形成されてい
るエレクトレット１５ａの負の電荷１６ａと対向するため、この部分には正の電荷１７ａ
が誘起されている。
中間電極１２の−Ｘ側の端部は、第２エレクトレット電極１１ｂの表面に形成されてい
るエレクトレット１５ｂの負の電荷１６ｂと対向するため、この部分には正の電荷１７ｂ
が誘起されている。

一方、第１エレクトレット電極１１ａのうち、中間電極１２と対向しない部分では、エ
レクトレット１５ａによる負の電荷１６ａに誘起され、第１エレクトレット電極１１ａの
内部に正の電荷１８ａが誘起されている。
第２エレクトレット電極１１ｂのうち、中間電極１２と対向しない部分では、エレクト
レット１５ｂによる負の電荷１６ｂに誘起され、第２エレクトレット電極１１ｂの内部に
正の電荷１８ｂが誘起されている。
以上説明した図２（ａ）は、第１エレクトレット電極１１ａと第２エレクトレット電極
１１ｂとの間で起電力は発生せず電荷の移動は起きていないことを示している。この意味
で図２（ａ）の中間電極１２の位置を中立点と呼び、振動発電素子１０は中立状態にある
と呼ぶ。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に比べ、中間電極１２が＋Ｘ側に相対移動した状態を表す。
図２（ｂ）の状態では、図２（ａ）の状態に比べ、第１エレクトレット電極１１ａの表
面の中で、中間電極１２と対向する部分の面積が増加している。このため、エレクトレッ
ト１５ａの負の電荷１６ａに誘起される中間電極１２の正の電荷１７ａが増大する。その
結果、図２（ａ）の状態において第１エレクトレット電極１１ａの内部に誘起されていた
正の電荷１８ａの一部は、余剰電荷１９ａとなる。

一方、図２（ｂ）の状態では、図２（ａ）の状態に比べ、第２エレクトレット電極１１
ｂの表面の中で、中間電極１２と対向する部分の面積が減少している。このため、エレク
トレット１５ｂの負の電荷１６ｂに誘起される中間電極１２の正の電荷１７ｂが減少する
。その結果、第２エレクトレット電極１１ｂの内部においては、エレクトレット１５ｂの
負の電荷１６ｂに対して、誘起されるべき正の電荷が不足した部分である電荷不足部２０
ｂが生じる。

従って、図２（ｂ）の状態では、第１エレクトレット電極１１ａは正に帯電し、第２エ
レクトレット電極１１ｂは負に帯電する。この帯電による起電力により第１エレクトレッ
ト電極１１ａから出力回路Ｒを介して第２エレクトレット電極１１ｂに電流Ｉ１を流すこ
とで、発電を行うことができる。ここで第１エレクトレット電極１１ａと第２エレクトレ
ット電極１１ｂの間に設けられている抵抗Ｒは、図１の電源装置４０を表している。

一方、図２（ｃ）は、図２（ａ）に比べ、中間電極１２が−Ｘ側に相対移動した状態を
表す。図２（ｃ）の状態では、図２（ａ）の状態に比べ、第２エレクトレット電極１１ｂ
の内部に余剰電荷１９ｂが生じるとともに、第１エレクトレット電極１１ａの内部に誘起
されるべき正の電荷が不足した部分である電荷不足部２０ａが生じる。
従って、図２（ｃ）の状態では、第１エレクトレット電極１１ａは負に帯電し、第２エ
レクトレット電極１１ｂは正に帯電する。この帯電による起電力により第２エレクトレッ
ト電極１１ｂから第１エレクトレット電極１１ａに電流Ｉ２を流すことで、発電を行うこ
とができる。

なお、中間電極１２は、第１エレクトレット電極１１ａ、第２エレクトレット電極１１
ｂ、支持枠１３などと絶縁した状態で保持部１４で保持しても良いし、保持部１４自体を
絶縁性の材料で形成してもよい。

ところで、電荷注入配線ＷＩにより中間電極１２に電荷の注入を行わないとすると、振
動発電素子１０が設置された環境が多湿である場合などでは、中間電極１２に保持される
べき電荷が大気中の水蒸気またはイオンを介して放電される恐れ、または中間電極１２で
本来誘起されるはずだった電荷が気体中のイオンと結合し、中性となってしまう恐れがあ
る。本明細書では、中間電極１２が上記のように放電されること、および中性となること
を、併せて中間電極１２の中性化と呼ぶ。

図３は、中間電極１２に中性化した場合の、振動発電素子１０の動作を表す図である。
上述の図２と同様に、図３（ａ）〜（ｃ）は、中間電極１２が第１エレクトレット電極１
１ａおよび第２エレクトレット電極１１ｂに対してＸ方向に振動（移動）する際に、各相
対位置において各電極内に誘起される電荷の状態を表わしている。
以下、図３の状態と上述の図２に示した状態との差異に基づいて、中間電極１２内の電
荷が放電されてしまった場合の振動発電素子１０の動作を説明する。

図３（ａ）は、図２（ａ）に対応する図であり、中間電極１２が振動の中間点にある場
合の電荷の状態を表わす。中間電極１２が放電されてしまった状態では、中間電極１２の
うち、第１エレクトレット電極１１ａと対向する部分２１ａ、および第２エレクトレット
電極１１ｂと対向する部分２１ｂに正の電荷は誘起されない。そのため、第１エレクトレ
ット電極１１ａの中間電極１２と対向する部分の内部には、エレクトレット１５ａの負の
電荷１６ａにより誘起された正の電荷２２ａが発生している。第２エレクトレット電極１
１ｂの中間電極１２と対向する部分の内部にも、エレクトレット１５ｂの負の電荷１６ａ
により誘起された正の電荷２２ｂが発生している。

図３（ｂ）は、図２（ｂ）に対応する図であり、中間電極１２が図３（ａ）に示した位
置から＋Ｘ側に相対移動した状態を表す。
図３（ｃ）は、図２（ｃ）に対応する図であり、中間電極１２が図３（ａ）に示した位
置から−Ｘ側に相対移動した状態を表す。
図２に示した場合と異なり、図３の場合には中間電極１２に電荷が存在しないため、中
間電極１２が図３（ａ）の状態から図３（ｂ）または図３（ｃ）の状態に移動しても、第
１エレクトレット電極１１ａ、第２エレクトレット電極１１ｂ、および中間電極１２内の
電荷の状態は、変化しない。

すなわち、図３に示すように中間電極１２が中性化した場合には、エレクトレット電極
１１と中間電極１２が相対移動（振動）しても、第１エレクトレット電極１１ａおよび第
２エレクトレット電極１１ｂのいずれもおいても余剰電荷や電荷不足が発生せず、発電を
行うことができない。

そこで、実施形態の振動発電素子１０では、中間電極１２からの電荷の喪失を防止する
ために、電荷注入配線ＷＩおよび抵抗素子ＲＩを用いて、電源装置４０から中間電極１２
に電荷を注入する構成としている。電荷注入配線ＷＩおよび抵抗素子ＲＩは、電荷注入器
３０と解釈することができる。

振動発電素子１０では、中間電極１２内には、中間電極１２と対向するエレクトレット
電極１１のエレクトレット１５の電荷に誘引されて、電源装置４０から電荷注入器３０を
介して、エレクトレット１５の電荷とは逆特性の電荷が注入される。エレクトレット電極
１１ａ、１１ｂの表面に負の電荷領域が設けられている場合には中間電極１２に正の電荷
が注入される。電荷注入器３０からの正電荷の注入により、振動発電素子１０は長期に渡
って中間電極１２に電荷を維持することが可能となり、すなわち、高い発電効率を長期に
渡って維持することができる。正電荷のエレクトレット電極と負電荷が帯電された中間電
極では、中間電極には負の電荷が注入される。

なお、電荷注入器３０を接続する箇所は、上述の電源装置４０内のダイオードＤ２のア
ノードおよびダイオードＤ３のアノードに限らず、電源装置４０内の他の場所であっても
良い。ただし、電源装置４０内であっても、第１エレクトレット電極１１ａに接続される
配線Ｗａ、または第２エレクトレット電極１１ｂに接続される配線Ｗｂに対して、低電気
抵抗で接続されている部分に電荷注入器３０を接続することは、好ましくない。従って、
電荷注入器３０は、電源装置４０内の、配線Ｗａおよび配線Ｗｂに対してそれぞれある程
度の大きさの電気抵抗を持って接続されている部分に接続すればよい。
なお、電荷注入器３０を構成する抵抗素子ＲＩは省略することもできる。

（変形例１）
図４は、変形例１の振動発電素子１０ａを表す図である。上述の実施形態の振動発電素
子１０との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例１の振動発電素子１０ａは、平行に配置される複数のエレクトレット電極１１を
有し、複数のエレクトレット電極１１のそれぞれの間に中間電極１２が配置されている。

各中間電極１２は、バネ等の弾性変形する保持部１４を介して、支持枠１３に対して図
中のＸ方向に振動可能に保持されている。そして、上述の実施形態と同様に、各中間電極
１２には、中間電極１２に電荷を注入するための電荷注入配線ＷＩ（上述の実施形態の電
荷注入器３０の一部）の一端が接続されている。
各エレクトレット電極１１のうち、第１エレクトレット電極１１ａおよび第２エレクト
レット電極１１ｂには、上述の実施形態と同様に中間電極１２と対向する側に、エレクト
レット１５が形成されている。

第３エレクトレット電極１１ａ１および第４エレクトレット電極１１ｂ１は、それぞれ
その両側の面で中間電極１２と対向するため、共に、その両側の面にエレクトレット１５
が形成されている。
第１エレクトレット電極１１ａおよび第３エレクトレット電極１１ａ１には、配線Ｗａ
が接続されている。一方、第２エレクトレット電極１１ｂおよび第４エレクトレット電極
１１ｂ１には、配線Ｗｂが接続されている。
そして、第１エレクトレット電極１１ａおよび第３エレクトレット電極１１ａ１は、第
２エレクトレット電極１１ｂおよび第４エレクトレット電極１１ｂ１に対して、＋Ｘ方向
にずれて配置されている。

中間電極１２がＸ方向にエレクトレット電極１１と相対振動すると、上述の実施形態と
同様に、第１エレクトレット電極１１ａおよび第３エレクトレット電極１１ａ１と、第２
エレクトレット電極１１ｂおよび第４エレクトレット電極１１ｂ１には、それぞれ電荷が
誘起される。これにより発電を行うことができる。
変形例１においても、中間電極１２に電荷を注入する電荷注入配線ＷＩ（電荷注入器３
０の一端）が接続されているので、振動発電素子１０ａは中間電極１２の中性化を防ぎ、
長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。

（変形例２）
図５は、変形例２の振動発電素子１０ｂを表す図である。上述の実施形態の振動発電素
子１０との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例２の振動発電素子１０ｂでは、複数のエレクトレット電極１１が支持枠１３ａの
内側面に固定して配置されている。そして、複数の中間電極１２ａが導電性の支持体２５
に保持され、支持体２５はバネ等の弾性変形する絶縁性の保持部１４ａを介して、支持枠
１３ａに対して図中のＸ方向に振動可能に保持されている。導電性の支持体２５には、電
荷注入配線ＷＩが接続されており、従って、複数の中間電極１２ａには導電性の支持体２
５を介して電荷注入配線ＷＩから電荷が注入される。

複数の中間電極１２ａのそれぞれは、支持体２５のＸ方向の振動の中心位置（中立位置
）において、それぞれ第１エレクトレット電極１１ａ２および第２エレクトレット電極１
１ｂ２と、ほぼ等しい面積で対向するように配置されている。従って、中間電極１２ａを
保持する支持体２５がＸ方向に振動すると、それぞれの中間電極１２ａと第１エレクトレ
ット電極１１ａ２および第２エレクトレット電極１１ｂ２との対向部分の面積が変化する
。すなわち、対向部分の面積が互いに逆方向に、換言すると逆位相で増減する。

これにより、上述の実施形態と同様に、第１エレクトレット電極１１ａ２および第２エ
レクトレット電極１１ｂ２に電荷が誘起され、発電が行われる。各第１エレクトレット電
極１１ａ２には配線Ｗａが接続され、各第２エレクトレット電極１１ｂ２には配線Ｗｂが
接続されており、配線Ｗａ、Ｗｂにより誘起された電荷を取り出すことができる。そして
、中間電極１２ａには電荷注入配線ＷＩにより電荷が注入され中性化が防止されるので、
振動発電素子１０ｂは、長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。

（変形例３）
図６は、変形例３の振動発電素子１０ｃを表す図である。図６（ａ）は振動発電素子１
０ｃの上面図を表し、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ−Ｂ断面を−Ｙ方向から見た断面
図を表す。上述の実施形態の振動発電素子１０との共通部分については、同一の符号を付
して、説明を省略する。

変形例３の振動発電素子１０ｃは、上述の変形例１の振動発電素子１０ａと同様に複数
のエレクトレット電極１１を有し、複数のエレクトレット電極１１のそれぞれの間に中間
電極１２ｂ１〜１２ｂ３が配置されている。
各中間電極１２ｂ１〜１２ｂ３は、金属薄板等の弾性変形する保持部１４ｂを介して、
保持部１４ｂを概ね中心として図中のＸ方向に揺動可能に保持されている。保持部１４ｂ
には電荷注入配線ＷＩが接続され、従って、中間電極１２ｂ１〜１２ｂ３には導電性の保
持部１４ｂを介して電荷注入配線ＷＩにより電荷が注入される。保持部１４ｂと支持枠１
３の間には絶縁部材を設ける。

一方、各エレクトレット電極１１については、配線Ｗａに接続される第１エレクトレッ
ト電極１１ａ３および第３エレクトレット電極１１ａ４が、配線Ｗｂに接続される第２エ
レクトレット電極１１ｂ３および第４エレクトレット電極１１ｂ４に対して、−Ｘ方向に
ずれて配置されている。この様子を図６（ｂ）に示す。

図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＢ−Ｂ断面を−Ｙ方向から見た断面図であるため、図中
上方（＋Ｘ方向）に揺動した中間電極１２ｂ２と、中間電極１２ｂ２の奥（＋Ｙ方向）に
ある第４エレクトレット電極１１ｂ４とが示されている。なお、破線で示した第３エレク
トレット電極１１ａ４は、図６（ａ）中のＢ−Ｂ断面よりも−Ｙにあるが、理解を容易に
するために図６（ｂ）に示したものである。
図６（ｂ）に示したとおり、Ｘ方向の振動により中間電極１２ｂ２がＸ方向に揺動（振
動）すると、中間電極１２ｂ２と第３エレクトレット電極１１ａ４および第４エレクトレ
ット電極１１ｂ４との対向部分の面積が変化する。すなわち、対向部分の面積が互いに逆
方向に、換言すると逆位相で増減する。

これにより、上述の実施形態と同様に、第３エレクトレット電極１１ａ４および第４エ
レクトレット電極１１ｂ４に電荷が誘起され、発電が行われる。他の中間電極１２ｂ１、
１２ｂ３と対向するエレクトレット電極１１についても同様である。
これにより、発電を行うことができる。そして、中間電極１２ｂ１〜１２ｂ３には電荷
注入配線ＷＩにより電荷が注入され中性化が防止されるので、振動発電素子１０ｃは、長
期間にわたって高い発電効率を維持することができる。

（変形例４）
図７は、変形例４の振動発電素子１０ｄを表す図である。上述の実施形態の振動発電素
子１０との共通部分については、同一の符号を付して、説明を省略する。
変形例４の振動発電素子１０ｄでは、支持枠１３に固定され配線Ｗａが接続される第１
エレクトレット電極１１ａと、支持枠１３に固定され配線Ｗｂが接続される第２エレクト
レット電極１１ｂとの間に、第１エレクトレット電極１１ａ側から順に、第１中間電極１
２ｃ１、第５エレクトレット電極１１ｃ、第２中間電極１２ｃ２が配置されている。

第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２のそれぞれの両端にはバネ等の弾性
変形する保持部１４が接続されている。それぞれの保持部１４の一端は支持枠１３に接続
され、他端は支持枠１３に固定されている支持枠延長部２１に接続されている。従って、
第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２は、支持枠１３に対して図中のＸ方向
に振動可能に保持されている。
そして、第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２のそれぞれには、電荷注入
配線ＷＩが接続されている。

第５エレクトレット電極１１ｃは、不図示の保持機構により支持枠１３に固定される。
第５エレクトレット電極１１ｃには、配線Ｗａ、配線Ｗｂおよびその他の出力線は配線さ
れず、第５エレクトレット電極１１ｃは電気的に浮遊している。第５エレクトレット電極
１１ｃは、その両面がそれぞれ第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２と対向
するため、その両面にエレクトレット１５ｃが形成されている。
変形例４の振動発電素子１０ｄにおいても、上述の原理により、第１中間電極１２ｃ１
および第２中間電極１２ｃ２と各エレクトレット電極１１とがＸ方向に相対振動すること
により発電が行われる。そして、第１中間電極１２ｃ１および第２中間電極１２ｃ２には
電荷注入配線ＷＩにより電荷が注入され中性化が防止されるので、振動発電素子１０ｄは
、長期間にわたって高い発電効率を維持することができる。

（変形例５）
図８は、変形例５の振動発電素子１０ｅ、および振動発電素子１０ｅを備える振動発電
装置１００ｂを表す図である。
変形例５の振動発電素子１０ｅおよび振動発電装置１００ｂは、その大部分の構成は上
述の実施形態の振動発電素子１０および振動発電装置１００と同様であるため、共通部分
には同一の符号を付し、説明を省略する。

変形例５の振動発電素子１０ｅは、電荷注入器３０ｂとして、電荷注入配線ＷＩとＭＯ
ＳＦＥＴ等のスイッチング素子ＴＩとを備えている。電源装置４０ａには、電圧変換回路
ＶＣが設けられ、電圧変換回路ＶＣの出力電圧は、電圧検出用集積回路ＶＤによりモニタ
されている。電圧検出用集積回路ＶＤは、電圧変換回路ＶＣの出力電圧が所定値を下回っ
た場合にはスイッチング素子ＴＩに制御信号を送り、スイッチング素子ＴＩはこの制御信
号により導通される。これにより、電源装置４０ａから中間電極１２に電荷が注入される
。

電圧変換回路ＶＣの出力電圧が所定値を上回る場合には、電圧検出用集積回路ＶＤはス
イッチング素子ＴＩに制御信号を送信せず、スイッチング素子ＴＩは遮断状態となる。
変形例５の振動発電素子１０ｅにおいては、スイッチング素子ＴＩの導通または遮断の
切替制御により、中間電極１２への電荷の注入を制御することができる。

変形例５では、制御部材であるスイッチング素子ＴＩへの制御信号として、電源装置４
０ａ内の電圧をモニタした信号を使用している。よって、電源装置４０ａ内の電圧が低下
した場合、すなわち振動発電素子１０ｅの発電効率が低下した場合に、中間電極１２への
電荷の注入を行い、振動発電素子１０ｅの発電効率を復活させることができる。
なお、スイッチング素子ＴＩへの制御信号は、電源装置４０ａ内の電圧をモニタした信
号に限られるわけではなく、例えばタイマー回路が所定間隔毎に発生するトリガー信号を
スイッチング素子ＴＩへの制御信号として使用することもできる。

（変形例６）
図９は、変形例６の振動発電素子１０ｆを表す図である。
変形例６の振動発電素子１０ｆは、その大部分の構成は上述の実施形態の振動発電素子
１０と同様であるため、共通部分には同一の符号を付し、説明を省略する。

変形例６の振動発電素子１０ｆは、一端が中間電極１２に接続されている電荷注入配線
ＷＩと、一端が電荷注入配線ＷＩの他端に接続され他端が配線Ｗａに接続されている抵抗
素子ＲＩ１と、一端が電荷注入配線ＷＩの他端に接続され他端が配線Ｗｂに接続されてい
る抵抗素子ＲＩ２とを有している。電荷注入配線ＷＩ、抵抗素子ＲＩ１、および抵抗素子
ＲＩ２が、電荷注入器３０ｃを構成している。
なお、抵抗素子ＲＩ１および抵抗素子ＲＩ２が有する電気抵抗は、振動発電素子１０ｆ
に接続される電源装置４０の負荷による抵抗に比べて、十分大きな抵抗値を有する構成と
する。

変形例６の振動発電素子１０ｆにおいては、中間電極１２には、第１エレクトレット電
極１１ａから抵抗素子ＲＩ１を介して、および第２エレクトレット電極１１ｂから抵抗素
子ＲＩ２を介して、電荷が注入される。よって、中間電極１２内の電荷が放電により喪失
することを防ぐことができ、振動発電素子１０ｆの高い発電効率を長期に渡って維持する
ことができる。

なお、抵抗素子ＲＩ１および抵抗素子ＲＩ２の接続方法は、上述の形態に限るものでは
ない。例えば、抵抗素子ＲＩ１および抵抗素子ＲＩ２を、配線Ｗａおよび配線Ｗｂを介す
ることなく、それぞれ直接第１エレクトレット電極１１ａおよび第２エレクトレット電極
１１ｂに接続する構成としても良い。
あるいは、抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２の一方を省略し、第１エレクトレット電極１１ａま
たは第２エレクトレット電極１１ｂの一方から、中間電極１２に電荷を注入する構成とし
ても良い。

また、振動発電素子１０ｆの抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２を、上述の変形例５のスイッチン
グ素子ＴＩで置き換える、または抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２とスイッチング素子ＴＩとを直
列に配置することもできる。これにより、発電する電圧が低下した場合等に限り、エレク
トレット電極１１から中間電極１２に電荷を注入する構成とすることもできる。
また、これらの変形例５および変形例６に含まれる電荷注入器３０、３０ａ、３０ｂを
、上述の変形例１から変形例４の振動発電素子１０、１０ａ〜１０ｄに適用して、中間電
極１２、１２ａ、１２ｂに電荷を注入することもできる。

以上で説明した実施形態および各変形例においては、エレクトレット電極１１が支持枠
１３に固定され、中間電極１２が支持枠１３に対して振動または揺動する構成としている
。しかし、この構成に限られるものではなく、中間電極１２が支持枠１３に固定され、エ
レクトレット電極１１が支持枠１３に対して振動または揺動する構成としてもよい。

なお、実施形態および各変形例においては、中間電極１２とエレクトレット電極１１と
の相対振動の方向は、エレクトレット電極１１の中間電極１２と対向する面に平行な方向
（Ｘ方向）であるとしたが、振動方向はこの方向には限定されない。例えば、この対向す
る面に垂直な方向に振動させることによって、エレクトレット電極１１と中間電極１２と
の対向距離を変化させ、両電極が形成するコンデンサの静電容量を変化させることで、電
荷を誘起させて発電することもできる。
ただし、相対振動の方向を、エレクトレット電極１１の中間電極１２と対向する面に平
行な方向とすることで、発電効率を一層向上させることができる。

（実施形態および各変形例の効果）
（１）以上で説明した実施形態および各変形例の振動発電素子１０、１０ａ〜１０ｆは、
外部からの振動により交流電力を出力線から出力する振動発電素子において、出力線に接
続されていない中間電極１２と、中間電極１２と対向して配置され、中間電極１２と対向
する面の表面の少なくとも一部にエレクトレット１５を有する複数のエレクトレット電極
１１と、中間電極１２と複数のエレクトレット電極１１とを互いに相対振動自在に保持す
る保持部１４と、中間電極１２に、複数のエレクトレット電極１１の表面に形成されてい
るエレクトレット１５とは逆特性の電荷を注入する電荷注入器３０と、を備えている。実
施形態では、中間電極１２の振動により、中間電極１２と複数のエレクトレット電極１１
とが相対的に振動する。
この構成により、中間電極１２の中性化を防ぐことができ、振動発電素子１０、１０ａ
〜１０ｆが設置された環境の振動のエネルギーを、長期にわたって効率良く電気エネルギ
ーに変換することができる。言い換えれば、発電効率を向上することができる。

（２）さらに、エレクトレット電極１１と中間電極１２との相対振動の方向を、複数のエ
レクトレット電極１１の中間電極１２と対向する面に平行な方向とすることで、発電効率
をさらに向上することができ、従来と同じ大きさの振動発電素子であっても、より大電力
の発電を行うことができる。
（３）（２）において、中間電極１２が複数のエレクトレット電極１１に対して相対的に
第１の向きに移動すると、複数のエレクトレット電極１１のうちの１つと中間電極１２と
の対向部の面積が増加し、複数のエレクトレット電極１１のうちの他の１つと中間電極１
２との対向部の面積が減少し、第１の向きとは異なる第２の向きに移動すると、対向部の
面積は第１の向きの移動の場合とは逆に増減する構成とすることで、発電効率をさらに向
上することができる。

（４）（１）〜（３）において、電荷注入器３０を、振動発電素子１０、１０ａ〜１０ｆ
から電力の供給を受ける回路（電源装置４０）の一部を、中間電極１２に接続する構成と
することもできる。
（５）（１）〜（３）において、電荷注入器３０を、抵抗素子ＲＩ１、ＲＩ２を含み、電
荷注入器３０の一端が中間電極１２に接続され、他端が複数のエレクトレット電極１１の
少なくとも１つに接続されている構成とすることもできる。
（６）以上において、さらに電荷注入器３０による中間電極１２への電荷の注入を制御す
る制御部材（スイッチング素子ＴＩ）を有する構成とすることもできる。この構成により
、必要なときにだけ、電荷注入器３０により中間電極１２に電荷を注入することができる
。

（７）以上で説明した振動発電装置１００、１００ａ、１００ｂは、以上の実施形態およ
び各変形例の振動発電素子１０、１０ａ〜１０ｆと、電源装置４０、４０ａを備えている
。この構成により、振動発電装置１００、１００ａ、１００ｂが設置された環境の振動の
エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができる。言い換えれば、発電効率
を向上することができる。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定
されるものではない。また、各実施形態および変形例は、それぞれ単独で適用しても良い
し、組み合わせて用いても良い。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様
も本発明の範囲内に含まれる。

１００，１００ａ，１００ｂ…振動発電装置、１０，１０ａ〜１０ｆ…振動発電素子、
１１…エレクトレット電極、１１ａ…第１エレクトレット電極、１１ｂ…第２エレクトレ
ット電極、１２，１２ａ…中間電極、１３，１３ａ…支持枠、１４，１４ａ…保持部、１
５，１５ａ，１５ｂ…エレクトレット、３０，３０ａ〜３０ｃ…電荷注入器、４０…電源
回路、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、ＶＣ…電圧変換回路、ＶＤ…電圧検出用集積回路

本発明の第１の態様による振動発電素子は、外部からの振動により交流電力を出力線から出力する振動発電素子において、エレクトレットを有さず、前記出力線に接続されていない中間電極と、前記中間電極と対向して配置され、前記中間電極と対向する面の表面の少なくとも一部にエレクトレットを有する複数のエレクトレット電極と、前記中間電極と前記複数のエレクトレット電極とを互いに相対振動自在に保持する保持部と、前記中間電極に、前記複数のエレクトレット電極の表面に形成されているエレクトレットとは逆特性の電荷を注入する電荷注入器と、を備えている。
本発明の第２の態様による振動発電装置は、第１の態様による振動発電素子振動発電素子と、電源装置とを備えている。

Claims (7)

1. 外部からの振動により交流電力を出力線から出力する振動発電素子において、
   前記出力線に接続されていない中間電極と、
   前記中間電極と対向して配置され、前記中間電極と対向する面の表面の少なくとも一部
   にエレクトレットを有する複数のエレクトレット電極と、
   前記中間電極と前記複数のエレクトレット電極とを互いに相対振動自在に保持する保持
   部と、
   前記中間電極に、前記複数のエレクトレット電極の表面に形成されているエレクトレッ
   トとは逆特性の電荷を注入する電荷注入器と、を備える、振動発電素子。
2. 請求項１に記載の振動発電素子において、
   前記相対振動の方向は、前記複数のエレクトレット電極の前記中間電極と対向する前記
   面に平行な方向である、振動発電素子。
3. 請求項２に記載の振動発電素子において、
   前記相対振動により前記中間電極が前記複数のエレクトレット電極に対して相対的に第
   １の向きに移動すると、前記複数のエレクトレット電極のうちの１つと前記中間電極との
   対向部の面積が増加し、前記複数のエレクトレット電極のうちの他の１つと前記中間電極
   との対向部の面積が減少し、前記第１の向きとは異なる第２の向きに移動すると、前記対
   向部の面積は前記第１の向きの移動の場合とは逆に増減する、振動発電素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の振動発電素子において、
   前記電荷注入器は、振動発電素子から電力の供給を受ける回路の一部を前記中間電極に
   接続する、振動発電素子。
5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の振動発電素子において、
   前記電荷注入器は抵抗素子を含み、前記電荷注入器の一端が前記中間電極に接続され、
   他端が前記複数のエレクトレット電極の少なくとも１つに接続されている、振動発電素子
   。
6. 請求項４または請求項５に記載の振動発電素子において、
   前記電荷注入器による前記中間電極への電荷の注入を制御する制御部材を有する、振動
   発電素子。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の振動発電素子と、
   電源装置とを備える、振動発電装置。
   

Images