JP5945102B2 - 発電装置 - Google Patents
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Description
本発明は、誘電体とエレクトレットとの距離が変化することによって発電（運動エネルギー（振動エネルギー）から電気エネルギーへのエネルギー変換）を行う発電装置、特にＭＥＭＳ［Micro Electromechanical System］技術を用いて製造される振動駆動型の容量性発電装置に関するものである。
図３３は、振動型発電装置の一従来例を示す模式図である。図３３において、符号１０１は上部基板、符号１０２は下部基板、符号１０３はエレクトレット、符号１０４は対向電極、符号１０５はベース電極、符号１０６はバネを各々示している。なお、上部基板１０１は、下部基板１０２に対して２軸平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に変位自在に弾性支持された可動体である。
上記構成から成る振動型発電装置の動作原理は、所定のギャップ距離を維持しながらエレクトレット１０３と対向電極１０４との重なり面積を２軸平面方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の振動によって変化させることにより、対向電極１０４に誘導される電荷の変化分を電流として引き出すという方式（いわゆる静電誘導方式）であった。
なお、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される振動型発電装置の関連技術としては、例えば、特許文献１や非特許文献１及び２を挙げることができる。
Y.Naruse,N.Matsubara,K.Mabuchi,M.Izumi,K.Honma,"ELECTROSTATIC MICRO POWER GENERATOR FROM LOW FREQUENCY VIBRATION SUCH AS HUMAN MOTION",Proceedings of PowerMEMS 2008+ microEMS 2008, Sendai, Japan, November 9-12, (2008)
M.Edamoto,Y.Suzuki,N.Kasagi,K.Kashiwagi,Y.Morizawa,T.Yokoyama,T.Seki,and M.Oba,"LOW-RESONANT-FREQUENCY MICRO ELECTRET GENERATOR FOR ENERGY HARVESTING APPLICATION",Proc.IEEE Int.Conf. MEMS 2009, Sorrento, (2009), pp.1059-1062
しかしながら、上記従来の振動型発電装置では、その発電電力が大きくてもμＷオーダであり、その用途が限定されていた。
また、上記従来の振動型発電装置は、エレクトレット１０３と対向電極１０４が互いに対面している構造であるため、エレクトレット１０３と対向電極１０４とのギャップ距離を小さく設計し過ぎると、エレクトレット１０３と対向電極１０４との間に静電引力が働いて両者が接触したり、或いは、エレクトレット１０３の注入電荷が放電されてしまうおそれがあった。そのため、エレクトレット１０３と対向電極１０４とのギャップ距離は、ある程度大きく設計しなければならないが、ギャップ距離を広げた上で、なおかつ、振動による容量変化を大きくするためには、エレクトレット１０３と対向電極１０４の面積を大きく設計する必要があり、その結果としてさらにギャップ距離を広げなければならないという悪循環が生じていた。このような悪循環から、上記従来の振動型発電装置では、発電電力を高めつつ装置の微細化や狭ギャップ化を実現することが困難であった。
本発明は、上記の問題点に鑑み、小型大出力の発電装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明に係る発電装置は、誘電体とエレクトレットを有し、前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することによって発電を行う構成（第１の構成）とされている。
なお、上記第１の構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは、前記誘電体と対向しない側に第１電極が接続されている構成（第２の構成）にするとよい。
また、上記第２の構成から成る発電装置において、前記第１電極は、負荷を介して接地端に接続されている構成（第３の構成）にするとよい。
また、上記第３の構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記エレクトレットと対向しない側に第２電極が接続されている構成（第４の構成）にするとよい。
また、上記第４の構成から成る発電装置において、前記第２電極は、前記接地端に直接接続されている構成（第５の構成）にするとよい。
また、上記第３の構成から成る発電装置において、前記誘電体には電極が接続されていない構成（第６の構成）にするとよい。
また、上記第６の構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記エレクトレットと対向しない側に電気的にフローティング状態の金属体が接続されている構成（第７の構成）にするとよい。
また、上記第３の構成から成る発電装置は、前記誘電体を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態とされている構成（第８の構成）にするとよい。
また、上記第８の構成から成る発電装置は、前記誘電体を含む可動部の全体が絶縁体で保持されている構成（第９の構成）にするとよい。
また、上記第９の構成から成る発電装置において、前記誘電体には電極が接続されていない構成（第１０の構成）にするとよい。
また、上記第２〜第１０いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは、前記第１電極の全面を被覆するように形成されている構成（第１１の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第１１いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記エレクトレットとの間に挟まれた空隙層は、湿度の低い状態とされている構成（第１２の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第１２いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体と前記エレクトレットとの間に挟まれた空隙層には、所定の気体が充填されている構成（第１３の構成）にするとよい。
また、上記第１３の構成から成る発電装置において、前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスである構成（第１４の構成）にするとよい。
また、上記第１４の構成から成る発電装置において、前記放電防止効果を有するガスの主成分はＳＦ６である構成（第１５の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第１５いずれかの構成から成る発電装置は、前記誘電体と前記エレクトレットを収納するパッケージを有する構成（第１６の構成）にするとよい。
また、上記第１６の構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記パッケージの内壁に沿って変位自在に収納されている構成（第１７の構成）にするとよい。
また、上記第１７の構成から成る発電装置は、前記パッケージの内部で前記誘電体を吊下支持する弾性部材を有する構成（第１８の構成）にするとよい。
また、上記第１７または第１８の構成から成る発電装置は、前記パッケージの内部で前記誘電体を両端支持する弾性部材を有する構成（第１９の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第１９いずれかの構成から成る発電装置は、前記パッケージの天面で前記誘電体を反発する弾性部材を有する構成（第２０の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２０いずれかの構成から成る発電装置は、前記パッケージの内部で前記誘電体の水平移動を抑制しつつ上下動を支持する弾性部材を有する構成（第２１の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２１いずれかの構成から成る発電装置は、前記誘電体と前記パッケージに各々反発し合う磁石を有する構成（第２２の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２２いずれかの構成から成る発電装置は、前記誘電体と前記エレクトレットに各々反発し合う磁石を有する構成（第２３の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２３いずれかの構成から成る発電装置は、前記エレクトレットの表面から突起したストッパを有する構成（第２４の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２４いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記パッケージの内壁との間にボール部材を挟み込んだ形で収納されている構成（第２５の構成）にするとよい。
また、上記第１７〜第２４いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記パッケージの内壁に対してレール部材を当接させた形で収納されている構成（第２６の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第２６いずれかの構成から成る発電装置は、前記エレクトレットと隣接して形成されたグランドリングを有する構成（第２７の構成）にするとよい。
また、上記第２７の構成から成る発電装置にて、前記グランドリングは所定の距離を隔てて前記エレクトレットの周囲を取り囲むように形成されている構成（第２８の構成）にするとよい。
また、上記第２７の構成から成る発電装置にて、前記エレクトレットと前記グランドリングは、互いに隣接させて交互に配置されている構成（第２９の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第２９いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記エレクトレットと対向する面が平坦化されている構成（第３０の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３０いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、前記エレクトレットと対向する面がパターニングされている構成（第３１の構成）にするとよい。
また、上記第３〜第３１いずれかの構成から成る発電装置において、前記第１電極は、パターニングを施すことなく面状に形成されている構成（第３２の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３２いずれの構成から成る発電装置において、前記誘電体には、凸部が複数形成されており、前記エレクトレットには、所定の隙間を設けて前記凸部が嵌合される凹部が複数形成されている構成（第３３の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３３いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは、前記誘電体の両側にそれぞれ配置されている構成（第３４の構成）にするとよい。
また、上記第３４の構成から成る発電装置において、前記誘電体は、多段に重ねて設けられており、各々の両面に前記エレクトレットが配置されている構成（第３５の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３５いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは密閉容器の内壁に形成されており、前記誘電体は粒子化されて前記密閉容器の内側に封入されている構成（第３６の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３５いずれかの構成から成る発電装置において、前記エレクトレットは密閉球体の内壁に形成されており、前記誘電体は球体化されて前記密閉球体の内側に封入されている構成（第３７の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３５いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は球体であり、前記エレクトレットは前記誘電体を取り囲むように複数形成されている構成（第３８の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第３５いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は厚みが０．０１〜１．０ｍｍであり、かつ、前記誘電体の比誘電率が無限大である場合の発電量を１００％として規格化したときの発電量が８０％以上である構成（第３９の構成）にするとよい。
また、上記第３９の構成から成る発電装置において、前記誘電体は、厚みが０．０１〜０．１ｍｍである構成（第４０の構成）にするとよい。
また、上記第１〜第４０いずれかの構成から成る発電装置において、前記誘電体は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムにアルカリ土類金属や希土類金属が添加されたもの、チタン酸ストロンチウム、酸化鉄ランタン、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸カリウムに酸化鉄ランタンが添加されたもの、チタン酸ランタン、ケイ酸マグネシウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ポリマー系強誘電体、及び、リラクサー強誘電体のいずれかを用いて形成されている構成（第４１の構成）にするとよい。
本発明によれば、振動子のＺ軸成分の振動を拾って発電するため、エレクトレットや電極の微細パターニングが不要となる上、誘電体とエレクトレットが接触しても放電しないため、誘電体とエレクトレットとの接触を回避する必要もなくなるので、小型大出力の発電装置を提供することが可能となり、延いては、電池寿命を心配する煩わしさからユーザを解放することが可能となる。
＜第１構成例＞
図１は、発電装置の第１構成例を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第１構成例の発電装置１０は、誘電体１１と、エレクトレット１２と、下部電極１３と、抵抗１４と、上部電極１５と、基板１６と、空隙層１７とを有する。なお、図１の上段には、発電装置１０の第１状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが離間した状態）が描写されており、図１の下段には、発電装置１０の第２状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが接近した状態）が描写されている。
図１は、発電装置の第１構成例を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第１構成例の発電装置１０は、誘電体１１と、エレクトレット１２と、下部電極１３と、抵抗１４と、上部電極１５と、基板１６と、空隙層１７とを有する。なお、図１の上段には、発電装置１０の第１状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが離間した状態）が描写されており、図１の下段には、発電装置１０の第２状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが接近した状態）が描写されている。
以下では、説明の便宜上、特に断りのない限り、紙面の上端側を鉛直上方向と定義し、誘電体１１が上下方向（鉛直方向）に振動する構成を前提とした説明を行うが、誘電体１１の振動方向はこれに限定されるものではなく、例えば、紙面を９０度回転させることにより、誘電体が左右方向（水平方向）に振動する構成とすることも当然に可能である。
誘電体１１は、発電装置１０に与えられる振動によってエレクトレット１２に対する相対位置が変化する可動体である。誘電体１１の下面は、空隙層１７を挟んでエレクトレット１２の上面と対向している。誘電体１１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢＴＯ）などを用いることができる。これについては後述する。誘電体１１は、板状に形成してもよいし膜状に形成してもよい。例えば、基板自体を誘電体で形成してもよいし、基板上に薄膜印刷技術で誘電体膜を形成してもよいし、或いは、別途の工程で形成しておいた板状の誘電体を基板上に貼り付けてもよい。
エレクトレット１２は、電荷を半永久的に保持する部材である。エレクトレット１２としては、サイトップ［登録商標］などの高分子化合物に電荷を保持させた有機エレクトレットを用いてもよいし、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの基材に電荷を保持させた無機エレクトレットを用いてもよい。エレクトレット１２は、下部電極１３の全面を被覆するように形成されている。このように、下部電極１３を露出させない構成とすることにより、エレクトレット１２への電荷注入に際して、露出した下部電極１３への電荷流出を防止することができるので、エレクトレット１２への電荷注入効率を高めることが可能となる。
下部電極１３は、エレクトレット１２の下面側（誘電体１１と対向していない側）に接続された第１電極に相当する。下部電極１３は、抵抗１４を介して接地端に接続されている。下部電極１３としては、アルミニウム電極などを用いることができる。
抵抗１４は、発電装置１０の振動によって下部電極１３と接地端との間に流れる電流を電圧として取り出すための負荷である。
上部電極１５は、誘電体１１の上面（エレクトレット１２と対向していない側）に接続された第２電極に相当する。上部電極１５は、接地端に直接接続されている。上部電極１５としては、アルミニウム電極などを用いることができる。
基板１６は、エレクトレット１２及び下部電極１３を担持するための板状部材である。基板１６としては、石英基板や酸化膜付きシリコンウェハなどを用いることができる。ただし、寄生容量抑制の観点から言えば、酸化膜付きシリコンウェハよりも石英基板などを用いる方が望ましい。
空隙層１７は、誘電体１１とエレクトレット１２との間に挟まれた空間である。空隙層１７の厚み（誘電体１１とエレクトレット１２を隔てるギャップ距離）は、振動に伴う誘電体１１の変位によって変化する。空隙層１７は、低真空状態（高真空状態や超高真空状態ではない状態）としてもよいし、若しくは、空気、不活性ガス（Ｎ２など）、或いは、放電防止効果のあるガス（例えば主成分としてＳＦ６を含むガス）等を充填してもよい。空隙層１７を低真空状態とする場合、脱気工程を用いてもよいし、或いは、何らかの高温処理時に空隙層１７からガスが抜けて自然に低真空状態となる現象を利用してもよい。空隙層１７を高真空状態や超高真空状態にしない方が好ましい理由は、エレクトレット１２の放電を回避するためである。なお、本明細書中において、「低真空状態」とは大気圧〜１０−１Ｐａの状態を指し、「高真空状態」とは１０−１〜１０−５Ｐａの状態を指し、「超高真空状態」とは１０−５以下の状態を指すものとする。また、空隙層１７に水分が含まれていると、エレクトレット１２の表面に水分子が付着して電荷が抜けやすくなるので、空隙層１７に含まれる水分は十分に除去して湿度の低い状態としておくことが望ましい。
上記したように、第１構成例の発電装置１０は、少なくとも一対の誘電体１１とエレクトレット１２を有し、誘電体１１とエレクトレット１２とのギャップ距離が変化することによって発電を行う構成とされている。以下では、その発電原理について説明する。
図１上段で示したように、発電装置１０の第１状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが離間した状態）では、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷（図１では、白色の四角印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）に引き寄せられて、下部電極１３の表面（エレクトレット１２との界面）に金属内正電荷（図１では、白色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が誘起される。この金属内正電荷は、下部電極１３（金属）中のある箇所から自由電子が排除された結果、周囲に存在する自由電子との電位差により正電荷としての性質を帯びたものである。従って、上記の物理現象については、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷によって、下部電極１３内の正電荷が引き寄せられると言うよりも、下部電極１３内の自由電子が遠ざけられると言う方が正しい。なお、下部電極１３内の金属内正電荷は接地端から供給される（下部電極１３内の自由電子は接地端に移動する）ので、下部電極１３の電位は０Ｖのままである。
一方、図１下段で示したように、発電装置１０が上記の第１状態から第２状態（誘電体１１とエレクトレット１２とが接近した状態）に遷移すると、エレクトレット１２に保持された負の固定電荷によって誘電体１１の内部が分極され、誘電体１１の下面に正の分極電荷（図１では、黒色の丸印にプラス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。このとき、第１状態で生じていたエレクトレット１２内の負電荷と下部電極１３内の正電荷との対応関係（の一部）が解消される。この現象により、下部電極１３内には一時的に余剰の正電荷が生じる。ただし、下部電極１３は抵抗１４を介して接地端に接続されているので、一時的に上昇した下部電極１３の電位が０Ｖになるまで、下部電極１３から接地端に向けた余剰の正電荷の移動（電流）が生じる。なお、図１の下段では、下部電極１３から正電荷の一部が移動した後の状態が示されている。下部電極１３から流出しなかった残りの電荷がＱ１である。
また、上記とは逆に、発電装置１０が第２状態から第１状態に遷移したときには、接地端から下部電極１３に向けた正電荷の移動（すなわち電流）が生じるので、この電流を電気エネルギーとして取り出すことができる。
なお、発電装置１０の第２状態では、誘電体１１の内部分極によって誘電体１１の上面に負の分極電荷（図１では、黒色の丸印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）が局在化する。従って、上部電極１５の上面（誘電体１１との界面）には、上記した負の分極電荷に引き寄せられて金属内正電荷が誘起される。ただし、上部電極１５内の金属内正電荷は接地端から供給されるので、上部電極１５の電位は０Ｖのままである。
電磁気学的に見ると、発電装置１０の第２状態は、第１状態よりも静電ポテンシャルエネルギーが低い状態（第１状態よりも正電荷と負電荷との距離が近い安定状態）である。従って、外部から運動エネルギー（振動）を与えることにより、発電装置１０を第１状態と第２状態との間で遷移させてやれば、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。
特に、第１構成例の発電装置１０は、誘電体１１の上面に上部電極１５が設けられると共に、この上部電極１５が接地端に接続された構成とされている。このような構成とすることにより、発電装置１０の第２状態において、上部電極１５の内部に電位差を生じることがないので、第２状態のポテンシャルエネルギーを引き下げて、発電効率を高めることが可能となる。
＜等価回路図＞
図２は、発電装置１０の等価回路図である。なお、符号Ｃ１はエレクトレット１２の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ２は誘電体１１の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ３は空隙層１７の静電容量（可変値）を示しており、符号Ｃ４は誘電体１１と空隙層１７の直列合成容量（Ｃ４＝Ｃ２×Ｃ３／（Ｃ２＋Ｃ３））を示している。また、符号Ｒは抵抗１４の抵抗値（固定値）を示している。
図２は、発電装置１０の等価回路図である。なお、符号Ｃ１はエレクトレット１２の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ２は誘電体１１の静電容量（固定値）を示しており、符号Ｃ３は空隙層１７の静電容量（可変値）を示しており、符号Ｃ４は誘電体１１と空隙層１７の直列合成容量（Ｃ４＝Ｃ２×Ｃ３／（Ｃ２＋Ｃ３））を示している。また、符号Ｒは抵抗１４の抵抗値（固定値）を示している。
この等価回路において最も注目すべき点は、電源の役割を果たすエレクトレット１２が一定の電荷Ｑを保持する「定電荷源」と呼称すべき存在であるということである。
発電装置１０を第１状態（図１上段）から第２状態（図１下段）に遷移させると、誘電体１１側にも電荷が分配される。一定の電荷に対して分配するコンデンサの静電容量が増加すればコンデンサの電位は低下する。現象としては、コンデンサに電荷を充電した後、電源から切り離して別のコンデンサと接続した場合に等しい。
このとき、エレクトレット１２と下部電極１３との間のコンデンサに残存する電荷をＱ１とし、誘電体１１中の誘導電荷と対になる電荷をＱ２とし、接点Ａ−Ａ’間の電位差をＶとした場合、次の（１）式及び（２）式が成立する。
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２ … （１）
Ｖ＝Ｑ１／Ｃ１＝Ｑ２／Ｃ４ … （２）
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２ … （１）
Ｖ＝Ｑ１／Ｃ１＝Ｑ２／Ｃ４ … （２）
また、上記の（１）式及び（２）式により、電荷Ｑ１は、次の（３）式で表される。
Ｑ１＝Ｑ×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ４） … （３）
Ｑ１＝Ｑ×Ｃ１／（Ｃ１＋Ｃ４） … （３）
（３）式において、エレクトレット１２の電荷Ｑ及び静電容量Ｃ１は固定値であり、誘電体１１と空隙層１７の直列合成容量Ｃ４は、空隙層１７の厚み（延いては、空隙層１７の静電容量Ｃ３）に応じて変化する可変値である。従って、振動に伴う誘電体１１の変位に応じて直列合成容量Ｃ４が変化すると、電荷Ｑ１と電荷Ｑ２の割合が変化する。発電装置１０では、この容量変化に伴う電荷の再分配が電流として取り出される。
以下、発電量について定式化する。ある時間ｔに回路中を流れる電流ｉは、電荷Ｑ１の時間微分として与えられる。ある関数ｆの時間微分をｆ’と表記するとき、電流ｉは上記（３）式に基づいて次の（４）式で表される。
ｉ＝Ｑ１’＝｛Ｑ×Ｃ１×（Ｃ１＋Ｃ４）−１）｝’
＝Ｑ×Ｃ１×｛（Ｃ１＋Ｃ４）−１｝’
＝Ｑ×Ｃ１×｛−（Ｃ１＋Ｃ４）−２｝×Ｃ４’ … （４）
ｉ＝Ｑ１’＝｛Ｑ×Ｃ１×（Ｃ１＋Ｃ４）−１）｝’
＝Ｑ×Ｃ１×｛（Ｃ１＋Ｃ４）−１｝’
＝Ｑ×Ｃ１×｛−（Ｃ１＋Ｃ４）−２｝×Ｃ４’ … （４）
また、空隙層１７の直列合成容量Ｃ４は、誘電体１１の静電容量Ｃ２と空隙層１７の静電容量Ｃ３を用いて次の（５）式で表される。
Ｃ４＝（Ｃ２−１＋Ｃ３−１）−１ … （５）
Ｃ４＝（Ｃ２−１＋Ｃ３−１）−１ … （５）
上記（５）式より、直列合成容量Ｃ４の時間微分Ｃ４’は、次の（６）式で表される。
Ｃ４’＝｛（Ｃ２−１＋Ｃ３−１）−１｝’
＝｛（Ｃ３／Ｃ２＋１）−２｝×Ｃ３’ … （６）
Ｃ４’＝｛（Ｃ２−１＋Ｃ３−１）−１｝’
＝｛（Ｃ３／Ｃ２＋１）−２｝×Ｃ３’ … （６）
誘電体１１とエレクトレット１２とのギャップ距離が時間的に変化するとき、同時に空隙層１７の静電容量Ｃ３も変化する。ここで、初期状態における誘電体１１とエレクトレット１２とのギャップ距離をＸ０とし、さらに、誘電体１１が振幅Ａ、角速度ωで単振動している場合、空隙層１７の容量Ｃ３、及び、その時間微分Ｃ３’は、次の（７）式及び（８）式で表される。なお、式中の符号ε０は、真空の誘電率（８．８５×１０−１２Ｆ／ｍ）である。
Ｃ３＝ε０×εｒ×Ｓ×｛Ｘ０＋Ａ×ｓｉｎ（ω×ｔ）｝−１ … （７）
Ｃ３’＝−ε０×εｒ×Ｓ×Ａ×ω×ｃｏｓ（ω×ｔ）
×｛Ｘ０＋Ａ×ｓｉｎ（ω×ｔ）｝−２ … （８）
Ｃ３＝ε０×εｒ×Ｓ×｛Ｘ０＋Ａ×ｓｉｎ（ω×ｔ）｝−１ … （７）
Ｃ３’＝−ε０×εｒ×Ｓ×Ａ×ω×ｃｏｓ（ω×ｔ）
×｛Ｘ０＋Ａ×ｓｉｎ（ω×ｔ）｝−２ … （８）
そして、電流ｉが流れることにより、発電装置１０に設けられた抵抗１４の両端から出力される電圧Ｖ２は、抵抗１４の抵抗値Ｒを用いて次の（９）式で表される。
Ｖ２＝ｉ×Ｒ … （９）
Ｖ２＝ｉ×Ｒ … （９）
また、抵抗１４より取り出される電力Ｐは、電流ｉの平均値Ｉ及び抵抗１４の抵抗値Ｒを用いて次の（１０）式で表される。なお、式中の符号Ｔは、誘電体１１の振動周期であり、Ｔ＝２×π／ωで与えられる。
Ｐ＝Ｉ２×Ｒ＝Ｔ−１×∫０ Ｔｉ２ｄｔ×Ｒ … （１０）
Ｐ＝Ｉ２×Ｒ＝Ｔ−１×∫０ Ｔｉ２ｄｔ×Ｒ … （１０）
上記の（９）式に基づいた出力電圧波形のシミュレーション値を図８Ｂに示す。定式化に基づく出力波形は、正弦波ではなく理論的に正弦波から歪んだ波形となる（詳細については後述）。
ここで有用な役割を果たすのが、誘電体１１とエレクトレット１２との間に存在する空隙層１７である。この空隙層１７の静電容量Ｃ３が大きくなるほど、すなわち、空隙層１７の厚み（ギャップ距離）が小さくなるほど、誘電体１１中の分極電荷量が大きくなり、それに応じて発電量も増大する。
先にも述べたように、第１構成例の発電装置１０は、エレクトレットと対向電極を互いに対面させた従来構成（図３３を参照）と異なり、誘電体１１とエレクトレット１２を互いに対面させているので、誘電体１１とエレクトレット１２を接近（ないしは接触）させても、基本的にエレクトレット１２の放電を生じることはない。
従って、第１構成例の発電装置１０であれば、誘電体１１とエレクトレット１２を隔てるギャップ距離の変化に応じて発電を行う際、そのギャップ距離が最小でゼロとなるまで誘電体１１とエレクトレット１２とを接近させることができるので、極めて大きな発電量（ｍＷオーダー）を得ることが可能となる。
＜発電実験＞
［測定系］
図３は、発電実験に用いた測定系の概略図である。今回の発電実験に用いられた測定系Ｘは、誘電体Ｘ１と、アルミ板Ｘ２と、電磁式加振機Ｘ３と、試料Ｘ４と、アルミ板Ｘ５と、３軸ステージＸ６と、土台Ｘ７と、同軸ケーブルＸ８と、同軸ケーブルＸ９と、シールドケースＸ１０と、同軸ケーブルＸ１１と、ローパスフィルタＸ１２と、同軸ケーブルＸ１３と、オシロスコープＸ１４と、を含む。
［測定系］
図３は、発電実験に用いた測定系の概略図である。今回の発電実験に用いられた測定系Ｘは、誘電体Ｘ１と、アルミ板Ｘ２と、電磁式加振機Ｘ３と、試料Ｘ４と、アルミ板Ｘ５と、３軸ステージＸ６と、土台Ｘ７と、同軸ケーブルＸ８と、同軸ケーブルＸ９と、シールドケースＸ１０と、同軸ケーブルＸ１１と、ローパスフィルタＸ１２と、同軸ケーブルＸ１３と、オシロスコープＸ１４と、を含む。
誘電体Ｘ１（図１の誘電体１１に相当）は、上面が試料Ｘ４の下面と対向されており、下面がアルミ板Ｘ２に接続されている。誘電体Ｘ１としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられている（本実験で使用したＰＺＴの誘電率は２，６００である）。
アルミ板Ｘ２（図１の上部電極１５に相当）は、その上面に誘電体Ｘ１が接続されている。アルミ板Ｘ２は、測定系Ｘの接地端に直接接続されている。
電磁式加振機Ｘ３は、アルミ板Ｘ２の上面に接続された誘電体Ｘ１に対して上下方向の振動（周波数４０Ｈｚ）を与える。
試料Ｘ４（図１のエレクトレット１２、下部電極１３、及び、基板１６に相当）は、上面側の石英基板（厚さ：１．０ｍｍ）がアルミ板Ｘ５に接続されており、下面側のエレクトレット（厚さ：５．６μｍ）が誘電体Ｘ１の上面と対向されている。エレクトレットとしては、サイトップ［登録商標］が用いられている。エレクトレットには、パターニングが施されていない。一方、エレクトレットに被覆された下部電極には、櫛歯アレイ状（幅：３０μｍ、ピッチ：６０μｍ）のパターニングが施されている。下部電極は、同軸ケーブルＸ８の第１端に接続されている。
アルミ板Ｘ５は、試料Ｘ４を支持する。
３軸ステージＸ６は、アルミ板Ｘ５に担持された試料Ｘ４を３軸方向に移動させる。
土台Ｘ７は、３軸ステージＸ６を支持する。
同軸ケーブルＸ８は、第１端が試料Ｘ４の下部電極と接続されており、第２端が同軸ケーブルＸ９の第１端に接続されている。
同軸ケーブルＸ９は、第１端が同軸ケーブルＸ８の第２端に接続されており、第２端がシールドケースＸ１０の第１コネクタＸ１０ａに接続されている。
シールドケースＸ１０は、ロード抵抗Ｒｖ、Ｒ（図１の抵抗１４はＲｖとＲの直列合成抵抗に相当）を格納する。シールドケースＸ１０の本体は、測定系Ｘの接地端に接続されている。シールドケースＸ１０の第１コネクタＸ１０ａは、ロード抵抗Ｒｖ、Ｒを介して測定系Ｘの接地端に接続されている。このように、測定系Ｘでは、試料Ｘ４とロード抵抗Ｒｖ、Ｒとの間がリード線ではなく、同軸線によって接続されている。ロード抵抗Ｒｖ、Ｒの接続ノードは、出力電圧Ｖｍの計測ノードとしてシールドケースＸ１０の第２コネクタＸ１０ｂに接続されている。第２コネクタＸ１０ｂのグランドラインは、測定系Ｘの接地端に接続されている。ロード抵抗Ｒｖ、Ｒのうち、第１コネクタＸ１０ａと第２コネクタＸ１０ｂとの間に接続される抵抗Ｒｖ（その両端電圧が計測されない抵抗）は、可変抵抗（ポテンショメータ）とされており、第２コネクタＸ１０ｂと接地端との間に接続される抵抗Ｒ（その両端電圧が出力電圧Ｖｍとして計測される抵抗）は、固定抵抗（１００ｋΩ）とされている。
同軸ケーブルＸ１１は、シールドケースＸ１０の第２コネクタＸ１０ｂとローパスフィルタＸ１２の入力端との間を接続する。
ローパスフィルタＸ１２は、出力電圧Ｖｍに重畳するノイズを除去する。ローパスフィルタＸ１２のカットオフ周波数ｆｃは、２００Ｈｚに設定されている。
同軸ケーブルＸ１３は、ローパスフィルタＸ１２の出力端とオシロスコープＸ１４の入力端との間を接続する。
オシロスコープＸ１４は、出力電圧Ｖｍの波形（電気信号の時間的変化）をグラフとして表示する。オシロスコープＸ１４に表示されるグラフでは、縦軸が電圧値となり、横軸が時間となる。オシロスコープＸ１４のグラウンド端子は、測定系Ｘの接地端に接続されている。
［実験手順］
測定系Ｘを用いた実験手順は次の通りである。ステップＳ１では、試料Ｘ４のエレクトレットに対して図４で示したコロナ放電装置Ｙを用いて所定の条件（コロナ放電電圧：１０ｋＶ，０．１ｍＡ、グリッド電圧１．５ｋＶ）で電荷の注入を行う。なお、図４において、符号Ｘ４１、Ｘ４２、Ｘ４３は、それぞれ、試料Ｘを形成する構成要素（エレクトレット、下部電極、基板）を示している。また、符号Ｙ１〜Ｙ４は、それぞれ、コロナ放電装置Ｙを形成する構成要素（グリッド、放電電極針、グリッド用電源、直流高圧電源）を示している。ステップＳ２では、試料Ｘ４の表面電位を測定する。ステップＳ３では、測定系Ｘに試料Ｘ４を接続する。ステップＳ４では、誘電体Ｘ１を電磁式加振機Ｘ３によって振動させる。ステップＳ５では、誘電体Ｘ１と試料Ｘ４との接近／離間に応じて生じる出力電圧Ｖｍの波形をオシロスコープで観察する。ステップＳ６では、可変抵抗Ｒｖの抵抗値を変更しながらステップＳ４〜ステップＳ６を繰り返す。ステップＳ７では、得られた出力電圧Ｖｍに基づいて発電装置１０の発電電力Ｐを算出する。
測定系Ｘを用いた実験手順は次の通りである。ステップＳ１では、試料Ｘ４のエレクトレットに対して図４で示したコロナ放電装置Ｙを用いて所定の条件（コロナ放電電圧：１０ｋＶ，０．１ｍＡ、グリッド電圧１．５ｋＶ）で電荷の注入を行う。なお、図４において、符号Ｘ４１、Ｘ４２、Ｘ４３は、それぞれ、試料Ｘを形成する構成要素（エレクトレット、下部電極、基板）を示している。また、符号Ｙ１〜Ｙ４は、それぞれ、コロナ放電装置Ｙを形成する構成要素（グリッド、放電電極針、グリッド用電源、直流高圧電源）を示している。ステップＳ２では、試料Ｘ４の表面電位を測定する。ステップＳ３では、測定系Ｘに試料Ｘ４を接続する。ステップＳ４では、誘電体Ｘ１を電磁式加振機Ｘ３によって振動させる。ステップＳ５では、誘電体Ｘ１と試料Ｘ４との接近／離間に応じて生じる出力電圧Ｖｍの波形をオシロスコープで観察する。ステップＳ６では、可変抵抗Ｒｖの抵抗値を変更しながらステップＳ４〜ステップＳ６を繰り返す。ステップＳ７では、得られた出力電圧Ｖｍに基づいて発電装置１０の発電電力Ｐを算出する。
まず、出力電圧Ｖｍの平均値Ｖｍｓを次の（１１）により算出する。
Ｖｍｓ＝Ｔ−１×∫０ ＴＶｍｄｔ … （１１）
Ｖｍｓ＝Ｔ−１×∫０ ＴＶｍｄｔ … （１１）
ただし、出力電圧Ｖｍの波形が正弦波に近い場合、出力電圧Ｖｍの最大振幅Ｖｐｐ（ピークトゥピーク値）を計測することで、Ｖｍｓ≒０．３５４×Ｖｐｐという式により、平均値Ｖｍｓの概算値を求めることが可能である。
次に、ロード抵抗（Ｒ＋Ｒｖ）に発生する電圧ＶＬを次の（１２）式により算出する。
ＶＬ＝Ｖｍｓ×（Ｒ＋Ｒｖ）／Ｒ … （１２）
ＶＬ＝Ｖｍｓ×（Ｒ＋Ｒｖ）／Ｒ … （１２）
そして、次の（１３）式を用いて電圧ＶＬから発電電力Ｐを算出することができる。
Ｐ＝ＶＬ２／（Ｒ＋Ｒｖ） … （１３）
Ｐ＝ＶＬ２／（Ｒ＋Ｒｖ） … （１３）
［実験結果］
まず、試料Ｘ４の表面電位測定結果について説明する。ステップＳ１の電荷注入後における試料Ｘ４表面の平均電位は、約−５２５Ｖとなっていた。
まず、試料Ｘ４の表面電位測定結果について説明する。ステップＳ１の電荷注入後における試料Ｘ４表面の平均電位は、約−５２５Ｖとなっていた。
次に、可変抵抗Ｒｖの抵抗値を変化させながら実施された振動発電実験の結果について説明する。図５は、可変抵抗Ｒｖ［ＭΩ］と出力電圧Ｖｍの最大振幅Ｖｐｐ［Ｖ］及び発電電力Ｐｍ［μＷ］との関係を示すテーブルである。図６は、可変抵抗Ｒｖ［ＭΩ］と出力電圧Ｖｍの最大振幅Ｖｐｐ［Ｖ］との関係を示すグラフである。図７は、可変抵抗Ｒｖ［ＭΩ］と発電電力Ｐｍ［μＷ］との関係を示すグラフである。可変抵抗Ｒｖが１０ＭΩであるときに、発電電力Ｐｍが最大値（９７５［μＷ］＝０．９７［ｍＷ］）となることが確認された。このように、測定系Ｘを用いた振動発電実験では、極めて大きな発電量（ｍＷオーダ）を得ることができた。
図８Ａは、最大電力出力時のオシロスコープ波形図である。図８Ａの上段には振動シミュレータの駆動波形が描写されており、駆動信号が正弦波であることから、電磁式加振機Ｘ３に設置された誘電体Ｘ４は単振動していることが分かる。一方、図８Ａの下段には出力電圧Ｖｍの出力波形が描写されている。この出力電圧Ｖｍの出力波形は、正弦波とは異なる形状をしている。ただし、この波形はノイズ等の外乱要素により正弦波が歪んだものではなく、理論的に正しい波形である。このことを次項で説明する。
図８Ｂは、ギャップ距離Ｇに対する出力電圧Ｖｍのシミュレーション波形である。図８Ｂの上段には試料Ｘ１と誘電体Ｘ４とのギャップ距離が描写されており、図８Ｂの下段には先出の（３）式から（９）式を用いて理論的に算出した測定系Ｘの出力電圧Ｖｍが描写されている。計算に使用したパラメータには、実際の発電実験において測定系Ｘで用いた試料Ｘ１、誘電体Ｘ４、抵抗Ｒ及びＲｖの持つパラメータと同一の数値を入力した。ただし、試料Ｘ１と誘電体Ｘ４とのギャップ距離Ｇの初期値（すなわち（７）式中のＸ０）、及び、電磁式加振機Ｘ３が誘電体Ｘ４に与えた振動の振幅（すなわち（７）式中のＡ）については、正確な数値が測定できなかった。そこで、試料Ｘ１と誘電体Ｘ４とのギャップ距離Ｇが図８Ｂの上段に描写した波形のように変化したと仮定して演算を行った。図８Ａと図８Ｂの波形は非常によく一致しており、測定された出力電圧Ｖｍが提案する原理に基づいた発電の結果として出力されたことが証明されたと言える。
次に、誘電体Ｘ１の裏面におけるアルミ板Ｘ２の電気的接続と発電量との関係について説明する。アルミ板Ｘ２を測定系Ｘの接地端から切り離した状態で、先と同様の振動発電実験を行った。図９は、誘電体Ｘ１裏面の電気的接続状態による発電量の比較図である。図９で示したように、アルミ板Ｘ２を測定系Ｘの接地端に接続した場合（黒塗りの棒グラフ）と接続しない場合（ハッチング付きの棒グラフ）とでは、出力電圧Ｖｍの最大振幅Ｖｐｐ及び発電電力Ｐｍの双方に差違を生じることが確認された。この現象について、次の第２構成例及び第３構成例を挙げながら詳細に説明する。
＜第２構成例＞
図１０は、発電装置の第２構成例を示す模式図である。第２構成例の発電装置１０は、第１構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体１１の上面側に設けられていた上部電極１５が取り除かれた点に特徴を有している。すなわち、第２構成例の発電装置１０は、誘電体１１に何ら電極が接続されていない構成である言える。別の見方をすれば、第２構成例の発電装置１０は、誘電体１１を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態（何らかの電位点に接続されていない状態）とされた構成であるとも言える。なお、誘電体１１を含む可動部の全体は、例えば絶縁体（絶縁性のバネなど）で保持するとよい。
図１０は、発電装置の第２構成例を示す模式図である。第２構成例の発電装置１０は、第１構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体１１の上面側に設けられていた上部電極１５が取り除かれた点に特徴を有している。すなわち、第２構成例の発電装置１０は、誘電体１１に何ら電極が接続されていない構成である言える。別の見方をすれば、第２構成例の発電装置１０は、誘電体１１を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態（何らかの電位点に接続されていない状態）とされた構成であるとも言える。なお、誘電体１１を含む可動部の全体は、例えば絶縁体（絶縁性のバネなど）で保持するとよい。
先述の第１構成例と異なり、第２構成例の発電装置１０では、誘電体１１とエレクトレット１２とを接近させた第２状態（図１０下段）において、静電ポテンシャルエネルギーが高い状態（不安定な状態）となるので、第１構成例と比べると発電量が低下する。しかし、第２構成例の発電装置１０では、振動する誘電体１１に配線を接続する必要がないので、デバイス作製の容易性や発電動作の安定性の点では、第１構成例よりも有利である。
＜第３構成例＞
図１１は、発電装置の第３構成例を示す模式図である。第３構成例の発電装置１０は、第１構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体１１の上面側に電気的にフローティング状態の金属体１８が形成されている点に特徴を有している。金属体１８は、何らかの電位点（接地端）に接続されることを意図した上部電極１５とは異なり、電気的にフローティング状態とされた金属製の部材である。従って、第３構成例の発電装置１０は、誘電体１１を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態とされた構成であるという点で、先の第２構成例と共通する。なお、金属体１８は、板状であっても膜状であっても構わない。
図１１は、発電装置の第３構成例を示す模式図である。第３構成例の発電装置１０は、第１構成例とほぼ同様の構成であり、誘電体１１の上面側に電気的にフローティング状態の金属体１８が形成されている点に特徴を有している。金属体１８は、何らかの電位点（接地端）に接続されることを意図した上部電極１５とは異なり、電気的にフローティング状態とされた金属製の部材である。従って、第３構成例の発電装置１０は、誘電体１１を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態とされた構成であるという点で、先の第２構成例と共通する。なお、金属体１８は、板状であっても膜状であっても構わない。
第３構成例の発電装置１０では、誘電体１１とエレクトレット１２とを接近させた第２状態（図１１下段）において、誘電体１１の内部分極によって誘電体１１の上面に負の分極電荷が局在化する。従って、金属体１８の下面（誘電体１１との界面）には、上記した負の分極電荷に引き寄せられて金属内正電荷が誘起される。
先述の第１構成例と異なり、第３構成例の発電装置１０では、金属体１８が接地端に接続されていないので、接地端から金属体１８に正電荷を引き寄せることはできない。しかしながら、金属体１８には、多数の自由電子（図１１では、白色の丸印にマイナス符号を付したシンボルとして描写）が存在するので、この自由電子が金属体１８と誘電体１１との界面から遠ざかることにより、接地端から金属体１８に正電荷が引き寄せられたときと同様の効果が得られる。
上記の効果により、第３構成例の発電装置１０は、上部電極１５を完全に排除した第２構成例よりも高い発電量を得ることが可能となる。ただし、第３構成例の発電装置１０では、金属体１８内部に生じる電荷の偏り（電位差）によって上記の効果が阻害される。従って、第３構成例の発電装置１０は、上部電極１５が接地端に接続された第１構成例と比べると発電量が低下する。しかし、第３構成例の発電装置１０では、先述の第２構成例と同じく、振動する誘電体１１に配線を接続する必要がないので、デバイス作製の容易性や発電動作の安定性の点では、第１構成例よりも有利である。
このように、発電量に関して見れば、第１構成例＞第３構成例＞第２構成例という優劣があり、また、デバイス作製の容易性や発電動作の安定性に関して見れば、第２構成例＝第３構成例＞第１構成例という優劣がある。従って、発電装置１０の構成については、いずれか一つが常に最善であると言うことはできず、その用途や要求される特性に応じて、第１〜第３構成例のいずれかを採用することが望ましい。
＜パッケージング＞
図１２は、発電装置の第１パッケージング例を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第１パッケージング例の発電装置２０は、基板２１と、下部電極２２と、エレクトレット２３と、誘電体２４（誘電体、電極、重錘が一体となったもの）と、パッケージ２５と、接着剤２６と、ワイヤ２７と、を有する。なお、以下の説明において、誘電体２４に接続される上部電極の有無は問わない。
図１２は、発電装置の第１パッケージング例を示す模式図（横方向から見た断面図）である。第１パッケージング例の発電装置２０は、基板２１と、下部電極２２と、エレクトレット２３と、誘電体２４（誘電体、電極、重錘が一体となったもの）と、パッケージ２５と、接着剤２６と、ワイヤ２７と、を有する。なお、以下の説明において、誘電体２４に接続される上部電極の有無は問わない。
下部電極２２は、基板２１の上面に形成されている。エレクトレット２３は、下部電極２２を被覆するように形成されている。ただし、下部電極２２の一端は、エレクトレット２３から露出して基板２１の端部まで延出されており、その端部においてワイヤ２７と接続されている。ワイヤ２７は、不図示の抵抗を介して接地端に接続されている。パッケージ２５は、一面に開口部が設けられたカバー部材（円筒、柱筒、半球など）であり、内部にエレクトレット２３と誘電体２４を収納する形で開口部が基板２１と接着剤２６により接合されている。パッケージ２５は、レジンやアクリルなどの樹脂製とすればよい。
第１パッケージング例の発電装置２０において、誘電体２４は、何ら支持されることなくパッケージ２４の内壁に沿って変位自在（上下動自在）に収納されている。発電装置２０が静止状態であるとき、誘電体２４は静電引力によってエレクトレット２３と接近した状態（図１下段の第２状態に相当）となる。従って、外部から運動エネルギー（振動）を与えることにより、誘電体２４をエレクトレット２３から離間させてやれば、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。
図１３は、発電装置の第２パッケージング例を示す模式図である。第２パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、パッケージ２５の内部で誘電体２４を吊下支持する弾性部材３１を有する点に特徴を有している。弾性部材３１としては、コイルバネや蛇腹バネ（ミアンダ形状）を用いればよい。このような構成とすることにより、誘電体２４をエレクトレット２３から離間するための運動エネルギーを引き下げることができるので、より小さな振動によって発電を行うことが可能とある。また、パッケージ２５の天面と誘電体２４との接触を防止することも可能となる。
図１４は、発電装置の第３パッケージング例を示す模式図である。第３パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、パッケージ２５の内部で誘電体２４を両端支持する弾性部材３２を有する点に特徴を有している。弾性部材３２としては、コイルバネや蛇腹バネ（ミアンダ形状）を用いればよい。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の内側面と誘電体２４との接触を防止することが可能となる。
図１５は、発電装置の第４パッケージング例を示す模式図である。第４パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、パッケージ２５の天面で誘電体２４を反発する弾性部材３３を有する点に特徴を有している。弾性部材３３としては、板バネを用いればよい。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の天面と誘電体２４との接触を防止することが可能となる。
図１６は、発電装置の第５パッケージング例を示す模式図（上方向から見た断面図）である。第５パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、パッケージ２５の内部で誘電体２４の水平移動を抑制しつつ上下動を支持する弾性部材３４を有する点に特徴を有している。第５パッケージング例の振動装置２０において、誘電体２４及びパッケージ２５は、平面視したときの断面が矩形状となるように形成されている。弾性部材３４としては、誘電体２４の４側面を各々と直交する支持面（パッケージ２５の内側面）から片持支持する４つの板バネを組み合わせたもの（いわゆる卍バネ）を用いればよい。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の内側面と誘電体２４との接触を防止することが可能となる。
図１７は、発電装置の第６パッケージング例を示す模式図である。第６パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、誘電体２４とパッケージ２５に各々反発し合う磁石３５ａ及び３５ｂ（磁力バネ）を有する点に特徴を有している。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の天面と誘電体２４との接触を防止することが可能となる。
図１８は、発電装置の第７パッケージング例を示す模式図である。第７パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、誘電体２４とエレクトレット２３に各々反発し合う磁石３６ａ及び３６ｂ（磁力バネ）を有する点に特徴を有している。このような構成とすることにより、誘電体２４をエレクトレット２３から離間するための運動エネルギーを引き下げることができるので、より小さな振動によって発電を行うことが可能とある。また、エレクトレット２３と誘電体２４との接触を防止することもできる。
図１９は、発電装置の第８パッケージング例を示す模式図である。第８パッケージング例は、第１パッケージング例とほぼ同様の構成であり、エレクトレット２３の表面から突起したストッパ３７を有する点に特徴を有している。なお、ストッパ３７は、誘電体２４の表面に設けてもよい。このような構成とすることにより、誘電体２４をエレクトレット２３から離間するための運動エネルギーを引き下げることができるので、より小さな振動によって発電を行うことが可能とある。また、エレクトレット２３と誘電体２４との接触を防止することもできる。
なお、上記の第１〜第８パッケージング例で個別に説明した構成については、任意の組み合わせが可能である。また、バネを設けた構成では、発電装置２０に与えられる振動の周波数がバネ固有の共振周波数と一致するように、バネ定数を設計することが望ましい。一方、発電装置２０に与えられる振動の周波数が不定である場合には、バネを設けない構成を採用するか、柔らかいバネ（バネ定数の小さいバネ）を用いることが望ましい。
＜誘電体のガイド機構＞
図２０は、誘電体の第１ガイド例を示す模式図（上面図及び横方向からの断面図）である。第１ガイド例の振動装置２０において、誘電体２４及びパッケージ２５は、発電装置２０を平面視したときに、各々の外縁ないし内縁が円形状となるように形成されている。誘電体２４は、パッケージ２５の内壁との間にボール部材３８（鋼球）を挟み込んだ形で収納されている。ボール部材３８は、発電装置２０を平面視したときに、誘電体２４の外縁周（パッケージ２５の内縁周）を４等分する位置に各々設けられている。誘電体２４には、ボール部材３８の当接位置にそれぞれ上下方向のレール溝２４ａが形成されている。一方、パッケージ２５の内壁には、ボール部材３８の当接位置にそれぞれ凹状の球受部２５ａが形成されている。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の内側面と誘電体２４との接触を防止することができる。
図２０は、誘電体の第１ガイド例を示す模式図（上面図及び横方向からの断面図）である。第１ガイド例の振動装置２０において、誘電体２４及びパッケージ２５は、発電装置２０を平面視したときに、各々の外縁ないし内縁が円形状となるように形成されている。誘電体２４は、パッケージ２５の内壁との間にボール部材３８（鋼球）を挟み込んだ形で収納されている。ボール部材３８は、発電装置２０を平面視したときに、誘電体２４の外縁周（パッケージ２５の内縁周）を４等分する位置に各々設けられている。誘電体２４には、ボール部材３８の当接位置にそれぞれ上下方向のレール溝２４ａが形成されている。一方、パッケージ２５の内壁には、ボール部材３８の当接位置にそれぞれ凹状の球受部２５ａが形成されている。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の内側面と誘電体２４との接触を防止することができる。
図２１は、誘電体の第２ガイド例を示す模式図（上面図及び横方向からの断面図）である。第１ガイド例と同様、第２ガイド例の振動装置２０において、誘電体２４及びパッケージ２５は、発電装置２０を平面視したときに、各々の外縁ないし内縁が円形状となるように形成されている。誘電体２４は、パッケージ２５の内壁に対してレール部材３９を当接させた形で収納されている。レール部材３９は、発電装置２０を平面視したときに、誘電体２４の外縁周（パッケージ２５の内縁周）を４等分する位置に各々設けられている。パッケージ２５の内壁には、レール部材３９の当接位置にそれぞれ上下方向のレール溝２５ｂが形成されている。このような構成とすることにより、誘電体２４の上下動を阻害することなく、パッケージ２５の内側面と誘電体２４との接触を防止することができる。なお、レール部材３９は、誘電体２４を加工して一体的に形成してもよいし、誘電体２４とは異なる摺動性の良い素材（フッ素樹脂など）で別途形成してもよい。
＜グランドリング＞
次に、誘電体側に電極を設けない構成（図１０の第２構成例を参照）を採用する上で、有益となるグランドリングについて説明する。図２２は、グランドリングの第１適用例を示す模式図（横方向からの断面図）である。なお、図中の矢印は電気力線を示している。第１適用例の発電装置４０は、誘電体４１と、エレクトレット４２と、下部電極４３と、抵抗４４と、グランドリング４５と、を有する。グランドリング４５は、所定の距離を隔ててエレクトレット４２と下部電極４３の周囲を取り囲むように形成された導電部材（例えばアルミニウム）である。なお、グランドリング４５は接地端に直接接続されている。
次に、誘電体側に電極を設けない構成（図１０の第２構成例を参照）を採用する上で、有益となるグランドリングについて説明する。図２２は、グランドリングの第１適用例を示す模式図（横方向からの断面図）である。なお、図中の矢印は電気力線を示している。第１適用例の発電装置４０は、誘電体４１と、エレクトレット４２と、下部電極４３と、抵抗４４と、グランドリング４５と、を有する。グランドリング４５は、所定の距離を隔ててエレクトレット４２と下部電極４３の周囲を取り囲むように形成された導電部材（例えばアルミニウム）である。なお、グランドリング４５は接地端に直接接続されている。
発電装置４０において、誘電体４１とエレクトレット４２を接近させると、誘電体４１の内部分極により誘電体４１の上面に負の分極電荷が局在化する。ここで、第１適用例の発電装置４０であれば、誘電体４１の負電荷からグランドリング４５の正電荷に向けて電気力線を逃がすことができるので、誘電体４１の負電荷とエレクトレット４２の負電荷との反発を抑制することが可能となり、延いては、発電効率を高めることが可能となる。
図２３は、グランドリングの第２適用例を示す模式図（横方向からの断面図）である。なお、図２３中の矢印は電気力線を示している。本図で示したように、グランドリング４５は、必ずしもエレクトレット４２と下部電極４３の周囲を取り囲むように形成する必要はなく、エレクトレット４２とグランドリング４５を互いに隣接させて交互に配置してもよい。このような構成であれば、誘電体４１内部で水平方向の分極が生じたときに、誘電体４１の負電荷からグランドリング４５の正電荷に向けて電気力線を逃がすことができるので、誘電体４１の負電荷とエレクトレット４２の負電荷との反発を抑制することが可能となり、延いては、発電効率を高めることが可能となる。
＜誘電体及び下部電極の形状＞
図２４は、誘電体の形状と下部電極の形状との組合わせ例を示す模式図である。本例の発電装置５０は、誘電体５１と、エレクトレット５２と、下部電極５３と、基板５４と、を有する。
図２４は、誘電体の形状と下部電極の形状との組合わせ例を示す模式図である。本例の発電装置５０は、誘電体５１と、エレクトレット５２と、下部電極５３と、基板５４と、を有する。
誘電体５１は、エレクトレット５２と対向する下面が平坦化された構成（図２４の左側を参照）としてもよいし、下面がパターニングされた構成（図２４の右側を参照）としてもよい。前者の構成では、誘電体５１とエレクトレット５２とのギャップ距離を均一化することができる。後者の構成では、パターニングにより先鋭化された箇所に電気力線が集まりやすくなるので、パターニングの最適化によっては発電効率の向上が期待できる。
また、下部電極５３は、パターニングを施すことなく面状（図２５）に形成してもよいし、或いは、パターニングを施して櫛歯状（図２６）や渦巻き状（図２７）に形成してもよい。ただし、発電効率を鑑みれば、前者の構成を採用することが望ましい。
なお、誘電体５１の形状（パターニングあり／なし）と下部電極の形状（パターニングあり／なし）の組み合わせについては任意である。
＜３軸化＞
図２８は、３軸化を実現するための第１構造を示す模式図である。第１構造の発電装置６０は、誘電体６１と、エレクトレット６２と、下部電極６３と、を有する。誘電体６１には、凸部６１ａが複数形成されており、エレクトレット６２には、所定の隙間を設けて凸部６１ａが嵌合される凹部６２ａが複数形成されている。また、図２８では描写されていないが、発電装置６０は、紙面の奥行方向にも同様の構造を有する。このような構造を採用することにより、誘電体６１が紙面の上下方向に振動する場合であっても、誘電体６１が紙面の左右方向に振動する場合であっても、或いは、誘電体６１が紙面の奥行方向に振動する場合であっても、誘電体６１とエレクトレット６２とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
図２８は、３軸化を実現するための第１構造を示す模式図である。第１構造の発電装置６０は、誘電体６１と、エレクトレット６２と、下部電極６３と、を有する。誘電体６１には、凸部６１ａが複数形成されており、エレクトレット６２には、所定の隙間を設けて凸部６１ａが嵌合される凹部６２ａが複数形成されている。また、図２８では描写されていないが、発電装置６０は、紙面の奥行方向にも同様の構造を有する。このような構造を採用することにより、誘電体６１が紙面の上下方向に振動する場合であっても、誘電体６１が紙面の左右方向に振動する場合であっても、或いは、誘電体６１が紙面の奥行方向に振動する場合であっても、誘電体６１とエレクトレット６２とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
また、第１構造の発電装置６０において、エレクトレット６２は、誘電体６１の両側にそれぞれ配置されている。このような構成とすることにより、発電効率をさらに高めることが可能となる。また、図２８では描写されていないが、誘電体６１を多段に重ねて設けておき、各々の両面にエレクトレット６２を配置する構成とすれば、さらなる発電効率の向上が期待できる。なお、このような多層構造は、凸部６１ａや凹部６２ａを備えていない先述の基本構成（図１など）にも当然に適用することが可能である。
図２９は、３軸化を実現するための第２構造を示す模式図である。第２構造の発電装置７０において、エレクトレット７２は密閉容器の内壁に形成されており、誘電体７１は粒子化されて密閉容器の内側に封入されている。下部電極７３は、エレクトレット７２の外周側を取り囲むように形成されており、抵抗７４を介して接地端に接続されている。このような構造を採用することにより、発電装置７０に対していかなる方向の振動が与えられた場合であっても、誘電体７１とエレクトレット７２とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
図３０は、３軸化を実現するための第３構造を示す模式図である。第３構造の発電装置８０において、エレクトレット８２は密閉球体の内壁に形成されており、誘電体８１は球体化されて密閉球体の内側に封入されている。下部電極８３は、エレクトレット８２の外周側を取り囲むように形成されており、抵抗８４を介して接地端に接続されている。このような構造を採用することにより、発電装置８０に対していかなる方向の振動が与えられた場合であっても、誘電体８１とエレクトレット８２とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
図３１は、３軸化を実現するための第４構造を示す模式図である。第４構造の発電装置９０において、誘電体９１は球体とされており、エレクトレット９２は誘電体９１を取り囲むように複数形成されている。下部電極９３は、複数のエレクトレット９２毎に形成されており、抵抗９４を介して接地端に接続されている。このような構造を採用することにより、発電装置９０に対していかなる方向の振動が与えられた場合であっても、誘電体９１とエレクトレット９２とのギャップ距離が変化するので、効率よく発電を行うことが可能となる。
＜誘電体の比誘電率と発電量＞
図３２は、誘電体の比誘電率と発電量との関係を示すグラフである。図３２の横軸は誘電体の比誘電率εｒを示しており、図３２の縦軸は発電量Ｐ［％］（比誘電率εｒが無限大である場合の発電量で規格化）を示している。なお、本グラフは、エレクトレットの比誘電率が２、エレクトレットの膜厚が５μｍ、誘電体の振動の振幅が２０μｍ、誘電体がエレクトレットに最接近したときの空隙層（空気層）の厚み（ギャップ距離）が１μｍ、という仮定条件の下で、先出の（３）式〜（９）式を用いて得られた演算結果を示すものである。ただし、図中の各発電電力は、誘電体の比誘電率εｒが無限大である場合の発電量を１００％として規格化している。また、図３２の丸シンボル、四角シンボル、及び、菱形シンボルは、それぞれ、誘電体の厚みが０．０１ｍｍ、０．１ｍｍ、及び、１ｍｍであるときの演算結果を示している。
図３２は、誘電体の比誘電率と発電量との関係を示すグラフである。図３２の横軸は誘電体の比誘電率εｒを示しており、図３２の縦軸は発電量Ｐ［％］（比誘電率εｒが無限大である場合の発電量で規格化）を示している。なお、本グラフは、エレクトレットの比誘電率が２、エレクトレットの膜厚が５μｍ、誘電体の振動の振幅が２０μｍ、誘電体がエレクトレットに最接近したときの空隙層（空気層）の厚み（ギャップ距離）が１μｍ、という仮定条件の下で、先出の（３）式〜（９）式を用いて得られた演算結果を示すものである。ただし、図中の各発電電力は、誘電体の比誘電率εｒが無限大である場合の発電量を１００％として規格化している。また、図３２の丸シンボル、四角シンボル、及び、菱形シンボルは、それぞれ、誘電体の厚みが０．０１ｍｍ、０．１ｍｍ、及び、１ｍｍであるときの演算結果を示している。
図３２から分かるように、誘電体の厚みによって演算結果が変化する。誘電体の厚みが０．０１ｍｍのときは、比誘電率εｒが約３０のときに最大発電量の９０％が得られる。一方、誘電体の厚みが１ｍｍのときには、最大発電量の９０％を得るために約３０００の比誘電率εｒが必要である。従って、発電量を高めるためには誘電体をできる限り薄くすることが望ましい。
ただし、誘電体を薄くし過ぎるとエレクトレットと接触したときにエレクトレット内の電荷を放電させてしまう恐れがある。従って、発電量の増大と放電の防止の双方を鑑みれば、例えば、厚みが０．１ｍｍであり、比誘電率εｒが３００以上の誘電体を使用することが適当であると考えられる。ただし、ここでの厚みと比誘電率の数値は一例であり、それ以外の値でも構わない。電荷の保持特性、発電量、装置サイズ、及び、製造コストなどを総合的に鑑みると、実用的な設計範囲として、誘電体は、厚みが０．０１〜１．０ｍｍ（より好ましくは０．０１〜０．１ｍｍ）であり、かつ、最大発電量の８０％以上の発電量を得ることのできる素材を用いることが妥当である。
誘電体の作製方法については、誘電体の厚みに応じて種々の手法を採用することが可能である。例えば、厚み１μｍ以下〜数μｍの誘電体については、スパッタ法や電子ビーム蒸着法によって作製することができる。また、厚み１μｍ以下〜数十μｍの誘電体については、ゾルゲル法を含む水熱合成合成法＋スピンコート＋焼成により作製することができる。また、厚み数十μｍ以上の誘電体については、粉体の焼成＋加圧成型等の成型＋スライス、カット、研磨などによる厚み調整によって作製することができる。
＜誘電体の材料＞
最も有望である材料は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３，ＢＴＯ）である。使用温度（０〜１００℃程度を想定）における比誘電率は約１０００であり、上記の条件を満たしている。比較的安価でかつ非鉛であるため環境負荷も小さいので、製品化の際にも有利である。１２０℃以上の環境下では比誘電率が落ちる。また、動作周波数が１００ｋＨｚ以上の場合もやはり比誘電率が低下する。ただし、想定する動作周波数は１〜数百Ｈｚなので、本デバイスに関して上記特徴は欠点にならない。唯一の問題は強誘電体である為に、誘電特性にヒステリシスがある点である。
最も有望である材料は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３，ＢＴＯ）である。使用温度（０〜１００℃程度を想定）における比誘電率は約１０００であり、上記の条件を満たしている。比較的安価でかつ非鉛であるため環境負荷も小さいので、製品化の際にも有利である。１２０℃以上の環境下では比誘電率が落ちる。また、動作周波数が１００ｋＨｚ以上の場合もやはり比誘電率が低下する。ただし、想定する動作周波数は１〜数百Ｈｚなので、本デバイスに関して上記特徴は欠点にならない。唯一の問題は強誘電体である為に、誘電特性にヒステリシスがある点である。
次に有望である材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）である。比誘電率が非常に大きい（２０００〜３０００）ので、発電量を出来るだけ大きくしたい場合に有効である。ただし、比較的高価であることや鉛を含んでいるため環境負荷が高いことが欠点である。また、チタン酸バリウムと同様に強誘電体であるので、特性にヒステリシスを持つ点にも留意が必要である。
さらに、チタン酸バリウム中にカリウム（Ｋ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）などのアルカリ土類金属や、イットリウム（Ｙ）、ネオジム（Ｎｄ）などの希土類金属を添加したものも有望である．一般に、これらの添加により、チタン酸バリウムの比誘電率は低下するが、以下の様な効果が期待される。
第１の効果は、キュリー温度を下げる点である。強誘電体にはキュリー温度と呼ばれる特異点となる温度があり、この温度付近で誘電率が極大値を持つ。従って、誘電体のキュリー温度を発電デバイスの使用温度付近に設定することで、動作温度における比誘電率を純粋なチタン酸バリウムよりも大きくすることができる。ただし、温度変化による誘電率の変化が大きくなり、発電効率の不安定化に繋がる欠点がある。
第２の効果は、添加量を大きくしていくと性質が強誘電性から常誘電性に変化する点である。常誘電体は温度変化による誘電率の変化が小さく、ヒステリシスも持たないので、安定した発電が得られることが期待される。常誘電体の中では誘電率が高い方なので、発電量もある程度確保できる。
次に、チタン酸ストロンチウムが挙げられる。チタン酸ストロンチウムはチタン酸バリウムのバリウムがストロンチウムに置き換わったものである。常誘電体であるが、比誘電率が約３００あり、上記の条件を満たすことが利点である。ただし，やはりチタン酸バリウムと比較すると誘電率が小さい。また、ストロンチウムがレアメタルであり、コストが高くなるという欠点がある。
次に、非鉛圧電性高誘電体として、酸化鉄ランタン（ＬａＦｅＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、チタン酸ランタン（ＬａＴｉＯ３）、ケイ酸マグネシウム（ＭｇＳｉＯ３）、及び、チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）が挙げられる。
酸化鉄ランタン（ＬａＦｅＯ３）の特徴は、単結晶層において比誘電率が１０００以上であり、高温では比誘電率が数万以上になる点である。酸化鉄ランタン（ＬａＦｅＯ３）をニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）に微量添加することにより、誘電率を引き上げる効果がある。例えば、酸化鉄ランタン（ＬａＦｅＯ３）を０．２％添加することにより、室温におけるニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）の比誘電率が５００から１２５０へ上昇する。
ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）の結晶構造は、ペロブスカイト構造である。−１０℃以下では菱面体晶となり、常温では斜方晶となり、２２５〜４３５℃では正方晶となり、４３５℃（キュリー温度）以上では立方晶となる。利点としては、（１）強誘電体であり大きな圧電性を示すこと、（２）ビスマス層状構造の強誘電体であり非鉛圧電セラミックスであること、（３）分極しやすい（１５０℃、５〜６ｋＶ／ｍｍ以下での分極が可能）こと、（４）チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と同等の比誘電率（８００〜１０００）を有していること、及び、（５）室温から２００℃ 程度まで比較的フラットな比誘電率曲線を有することが挙げられる。逆に欠点としては、（１）セラミックスとして焼結しにくいこと、（２）未反応の酸化カリウムが残留すると、その潮解性のために耐湿性が悪化すること、及び、（３）レアメタルであるニオブを主成分とするため、コストが高いことが挙げられる。
チタン酸ジルコン酸バリウム（Ｂａ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３）は、キュリー温度を１２０℃よりも低くすることができる。Ｔｉ：Ｚｒ＝８：２において、キュリー温度は４０℃であり、比誘電率は４０００である。
次に、ポリマー系強誘電体として、ポリ乳酸やポリ尿素酸が挙げられる。ポリマー系強誘電体は、柔軟であり、誘電率が比較的高いので、接触面における保護膜などへの応用が期待される。ポリ乳酸の比誘電率は約２２である。ポリ尿素酸は有機圧電材料であり、比誘電率は３．６〜１１．８である。
次に、リラクサー強誘電体が挙げられる。リラクサー強誘電体に共通の特徴としては、（１）圧電効果が大きい、（２）誘電率が非常に大きく温度変化も小さい、（３）数万に及ぶ巨大な比誘電率を有する、（４）ブロードな誘電率のピークと周波数分散を有する、及び、（５）高温まで緩慢な変化を示す自発分極特性を有することが挙げられる。
リラクサー強誘電体の多くは、Ａ（Ｂ’，Ｂ”）Ｏ３の複合ペロブスカイト型化合物構造を有する。Ａサイトには２価のイオンが入り、Ｂサイトには平均して４価の電荷を持つ２種類のイオンが入る。＋２価と＋５価のイオンが１：２の割合で入るタイプ（Ａ（Ｂ’１／３Ｂ”２／３）Ｏ３）と、＋３価と＋５価のイオンあるいは＋２価と＋６価のイオンが１：１ の割合で入るタイプ（Ａ（Ｂ’１／２Ｂ”１／２）Ｏ３）に大きく分けられる。 多くのリラクサーが強誘電体ＰｂＴｉＯ３と混晶を形成し、興味深い現象を引き起こす。
リラクサー材料の例としては、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３・ｘＰｂＴｉＯ３、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３・ｘＰｂＴｉＯ３、ないしは、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３・ｘＰｂＴｉＯ３を挙げることができる。
Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３とＰｂＴｉＯ３の固溶体（ＰＺＮ／ｘＰＴ）の特徴としては、（１）強誘電体かつ圧電体である、及び、（２）ＰＺＮ／９ＰＴの場合に圧電定数ｄ３３が約２５００ｐＣ／Ｎであることが挙げられる。ＰＺＮとＰＴの組成比がちょうど三方晶と正方晶を分けるモルフォトロピック相境界（通称ＭＰＢ）と呼ばれる領域にあり、ＭＰＢ での対称性の低下という観点から様々な実験手法を用いて高い圧電効果の起因が探られている。
（Ｂａ，Ｌａ）（Ｔｉ，Ｃｒ）Ｏ３の特徴としては、非鉛系のリラクサー強誘電体であることが挙げられる。正確な組成は、（Ｂａ１−ｘＬａｘ）（Ｔｉ１−ｘＣｒｘ）Ｏ３（ただし０≦ｘ＜１）という組成になる。ｘ＝０．０３５で比誘電率２０００となり、室温付近で安定した誘電率を示す。
＜アプリケーション＞
各種センサや無線機器（例えば、ＺｉｇＢｅｅ・３００ＭＨｚ帯特定小電力無線機器）用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサや無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。
各種センサや無線機器（例えば、ＺｉｇＢｅｅ・３００ＭＨｚ帯特定小電力無線機器）用の電源として、上記の発電装置を適用することにより、無線センサや無線センサネットワークによるユビキタス環境を構築することができる。すなわち、各種のセンサや無線装置の電源配線が不要となるので、各々の機器を分散配置して、ネットワーク内での情報連携を実現することが可能となる。
なお、一部で実用化されているタイヤ空気圧モニタリングシステム（ＴＰＭＳ［Tire Pressure Monitoring System］）への応用のほか、上記の発電装置を用いたユビキタス環境の使用シーンとしては、例えば、医療・健康分野（健康管理や安否確認）、構造物監視（ワイヤ断線やボルト緩みの監視）、プラント監視（設備異常の監視）、並びに、物流管理（流通状態や品質の監視）などを挙げることができる。また、モータ等の電動機は電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）で振動するので、発電装置に組み込まれたばね系の共振条件を上記の電源周波数に合わせれば、さらに大きな発電量が期待されることから、この発電電力をデータ処理装置等の電源として使用することが考えられる。さらに、上記の発電装置を人体に取り付けて発電するアプリケーションや、上記の発電装置を携帯電話等のモバイル機器に搭載して発電するアプリケーションなども想定される。
＜その他の変形例＞
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
なお、本発明の構成は、上記実施形態ないし変形例のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
本発明に係る発電装置は、各種センサや無線機器（無線センサネットワークやヘルスモニタリングなど）に用いられる電源として、好適に利用可能な技術である。
１０ 発電装置
１１ 誘電体
１２ エレクトレット
１３ 下部電極
１４ 抵抗
１５ 上部電極
１６ 基板
１７ 空隙層
１８ 金属体
２０ 発電装置
２１ 基板
２２ 下部電極
２３ エレクトレット
２４ 誘電体（誘電体、電極、重錘が一体となったもの）
２４ａ レール溝
２５ パッケージ
２５ａ 球受部
２５ｂ レール溝
２６ 接着剤
２７ ワイヤ
３１〜３４ 弾性部材
３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂ 磁石
３７ ストッパ
３８ ボール部材
３９ レール部材
４０ 発電装置
４１ 誘電体
４２ エレクトレット
４３ 下部電極
４４ 抵抗
４５ グランドリング
５０ 発電装置
５１ 誘電体
５２ エレクトレット
５３ 下部電極
５４ 基板
６０ 発電装置
６１ 誘電体
６１ａ 凸部
６２ エレクトレット
６２ａ 凹部
６３ 下部電極
７０、８０、９０ 発電装置
７１、８１、９１ 誘電体
７２、８２、９２ エレクトレット
７３、８３、９３ 下部電極
７４、８４、９４ 抵抗
Ｘ１ 誘電体
Ｘ２ アルミ板
Ｘ３ 電磁式加振機
Ｘ４ 試料
Ｘ４１ エレクトレット
Ｘ４２ 下部電極
Ｘ４３ 基板
Ｘ５ アルミ板
Ｘ６ ３軸ステージ
Ｘ７ 土台
Ｘ８ 同軸ケーブル
Ｘ９ 同軸ケーブル
Ｘ１０ シールドケース
Ｘ１０ａ 第１コネクタ
Ｘ１０ｂ 第２コネクタ
Ｘ１１ 同軸ケーブル
Ｘ１２ ローパスフィルタ
Ｘ１３ 同軸ケーブル
Ｘ１４ オシロスコープ
Ｒｖ、Ｒ ロード抵抗
Ｙ コロナ放電装置
Ｙ１ グリッド
Ｙ２ 放電電極針
Ｙ３ グリッド用電源
Ｙ４ 直流高圧電源
１１ 誘電体
１２ エレクトレット
１３ 下部電極
１４ 抵抗
１５ 上部電極
１６ 基板
１７ 空隙層
１８ 金属体
２０ 発電装置
２１ 基板
２２ 下部電極
２３ エレクトレット
２４ 誘電体（誘電体、電極、重錘が一体となったもの）
２４ａ レール溝
２５ パッケージ
２５ａ 球受部
２５ｂ レール溝
２６ 接着剤
２７ ワイヤ
３１〜３４ 弾性部材
３５ａ、３５ｂ、３６ａ、３６ｂ 磁石
３７ ストッパ
３８ ボール部材
３９ レール部材
４０ 発電装置
４１ 誘電体
４２ エレクトレット
４３ 下部電極
４４ 抵抗
４５ グランドリング
５０ 発電装置
５１ 誘電体
５２ エレクトレット
５３ 下部電極
５４ 基板
６０ 発電装置
６１ 誘電体
６１ａ 凸部
６２ エレクトレット
６２ａ 凹部
６３ 下部電極
７０、８０、９０ 発電装置
７１、８１、９１ 誘電体
７２、８２、９２ エレクトレット
７３、８３、９３ 下部電極
７４、８４、９４ 抵抗
Ｘ１ 誘電体
Ｘ２ アルミ板
Ｘ３ 電磁式加振機
Ｘ４ 試料
Ｘ４１ エレクトレット
Ｘ４２ 下部電極
Ｘ４３ 基板
Ｘ５ アルミ板
Ｘ６ ３軸ステージ
Ｘ７ 土台
Ｘ８ 同軸ケーブル
Ｘ９ 同軸ケーブル
Ｘ１０ シールドケース
Ｘ１０ａ 第１コネクタ
Ｘ１０ｂ 第２コネクタ
Ｘ１１ 同軸ケーブル
Ｘ１２ ローパスフィルタ
Ｘ１３ 同軸ケーブル
Ｘ１４ オシロスコープ
Ｒｖ、Ｒ ロード抵抗
Ｙ コロナ放電装置
Ｙ１ グリッド
Ｙ２ 放電電極針
Ｙ３ グリッド用電源
Ｙ４ 直流高圧電源
Claims (36)
- 誘電体とエレクトレットを有し、前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することによって発電を行う発電装置であって、
前記誘電体には、凸部が複数形成されており、前記エレクトレットには、所定の隙間を設けて前記凸部が嵌合される凹部が複数形成されていることを特徴とする発電装置。 - 前記エレクトレットは、前記誘電体と対向しない側に第１電極が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
- 前記第１電極は、負荷を介して接地端に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、前記エレクトレットと対向しない側に第２電極が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
- 前記第２電極は、前記接地端に直接接続されていることを特徴とする請求項４に記載の発電装置。
- 前記誘電体には電極が接続されていないことを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、前記エレクトレットと対向しない側に電気的にフローティング状態の金属体が接続されていることを特徴とする請求項６に記載の発電装置。
- 前記誘電体を含む可動部の全体が電気的にフローティング状態とされていることを特徴とする請求項３に記載の発電装置。
- 前記誘電体を含む可動部の全体が絶縁体で保持されていることを特徴とする請求項８に記載の発電装置。
- 前記誘電体には電極が接続されていないことを特徴とする請求項９に記載の発電装置。
- 前記エレクトレットは、前記第１電極を被覆するように形成されていることを特徴とする請求項２〜請求項１０のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記エレクトレットとの間に挟まれた空隙層には、所定の気体が充填されていることを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記所定の気体は、空気、不活性ガス、或いは、放電防止効果を有するガスであることを特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
- 前記放電防止効果を有するガスの主成分はＳＦ６であることを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記エレクトレットを収納するパッケージを有することを特徴とする請求項１〜請求項１４のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、前記パッケージの内壁に沿って変位自在に収納されていることを特徴とする請求項１５に記載の発電装置。
- 前記パッケージの内部で前記誘電体を吊下支持する弾性部材を有することを特徴とする請求項１６に記載の発電装置。
- 前記パッケージの内部で前記誘電体を両端支持する弾性部材を有することを特徴とする請求項１６または請求項１７に記載の発電装置。
- 前記パッケージの天面で前記誘電体を反発する弾性部材を有することを特徴とする請求項１６〜請求項１８のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記パッケージの内部で前記誘電体の水平移動を抑制しつつ上下動を支持する弾性部材を有することを特徴とする請求項１６〜請求項１９のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記パッケージに各々反発し合う磁石を有することを特徴とする請求項１６〜請求項２０のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体と前記エレクトレットに各々反発し合う磁石を有することを特徴とする請求項１６〜請求項２１のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記エレクトレットの表面から突起したストッパを有することを特徴とする請求項１６〜請求項２２のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、前記パッケージの内壁との間にボール部材を挟み込んだ形で収納されていることを特徴とする請求項１６〜請求項２３のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、前記パッケージの内壁に対してレール部材を当接させた形で収納されていることを特徴とする請求項１６〜請求項２３のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記エレクトレットと隣接して形成されたグランドリングを有することを特徴とする請求項１〜請求項２５のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記グランドリングは、所定の距離を隔てて前記エレクトレットの周囲を取り囲むように形成されていることを特徴とする請求項２６に記載の発電装置。
- 前記エレクトレットと前記グランドリングは、互いに隣接させて交互に配置されていることを特徴とする請求項２６に記載の発電装置。
- 前記エレクトレットは、前記誘電体の両側にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項２８のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、多段に重ねて設けられており、各々の両面に前記エレクトレットが配置されていることを特徴とする請求項２９に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、厚みが０．０１〜１．０ｍｍであり、かつ、前記誘電体の比誘電率が無限大である場合の発電量を１００％として規格化したときの発電量が８０％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３０のいずれか一項に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、厚みが０．０１〜０．１ｍｍであることを特徴とする請求項３１に記載の発電装置。
- 前記誘電体は、チタン酸バリウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウムにアルカリ土類金属や希土類金属が添加されたもの、チタン酸ストロンチウム、酸化鉄ランタン、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸カリウムに酸化鉄ランタンが添加されたもの、チタン酸ランタン、ケイ酸マグネシウム、チタン酸ジルコン酸バリウム、ポリマー系強誘電体、及び、リラクサー強誘電体のいずれかを用いて形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３２のいずれか一項に記載の発電装置。
- 誘電体とエレクトレットを有し、前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することによって発電を行う発電装置であって、
前記エレクトレットは密閉球体の内壁に形成されており、前記誘電体は球体化されて前記密閉球体の内側に封入されていることを特徴とする発電装置。 - 誘電体とエレクトレットを有し、前記誘電体と前記エレクトレットとの距離が変化することによって発電を行う発電装置であって、
前記誘電体は球体であり、前記エレクトレットは前記誘電体を取り囲むように複数形成されていることを特徴とする発電装置。 - 前記エレクトレットは、絶縁層により被覆されることなく前記誘電体と対向することを特徴とする請求項１〜請求項３５のいずれか一項に記載の発電装置。
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