JP7258795B2 - 振動発電素子 - Google Patents

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Description

本発明は、振動発電素子に関する。
従来、環境振動を用いて発電する振動発電素子が知られている。振動発電素子は、弾性支持部により支持された可動部に設けられた一対の可動櫛歯電極を、各可動櫛歯電極に対向して固定部に設けられた各固定櫛歯電極に挿脱可能に設ける構造を有している。外部からの衝撃が振動発電素子に加わると、弾性支持された可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に対して振動し、可動櫛歯電極が固定櫛歯電極に対して挿脱され、その結果、発電が行われる。
振動発電素子は、可動部の振動方向の相対向する側面それぞれに、第１固定櫛歯電極に対して挿脱される第１可動櫛歯電極と、第２固定櫛歯電極に対して挿脱される第２可動櫛歯電極を有する。第１可動櫛歯電極と第１固定櫛歯電極との少なくとも一方および第２可動櫛歯電極と第２固定櫛歯電極との少なくとも一方には、それぞれ、エレクトレットが形成されている。可動部の振幅を規制するため、可動部の第１固定櫛歯電極側に配置された第１ストッパ、および可動部の第２固定櫛歯電極側に配置された第２ストッパと、を備えた構造を有する振動発電素子もある。
可動部が振動すると、第１可動櫛歯電極と第１固定櫛歯電極との対向面積が変化する。例えば、第１可動櫛歯電極と第１固定櫛歯電極との対向面積が増加すると第２可動櫛歯電極と第２固定櫛歯電極との対向面積が、減少する。逆に、第１可動櫛歯電極と第１固定櫛歯電極との対向面積が減少すると第２可動櫛歯電極と第２固定櫛歯電極との対向面積が、増大する。このような、対向面積の変化によって、エレクトレットの誘導電荷が変化する。これにより、第１可動櫛歯電極と第１固定櫛歯電極との間の電圧および第２可動櫛歯電極と第２固定櫛歯電極との間の電圧が変化して発電が行なわれる（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１８－８８７８０号公報
特許文献１に記載の振動発電素子は、可動部の振動方向をグラウンドに鉛直方向に設置すると、可動部が、自重によりグラウンド側に移動する。例えば、第１可動櫛歯電極を第２可動櫛歯電極よりグラウンド側に配置した鉛直状態では、第１可動櫛歯電極がグラウンド側に移動する。このため、第１可動櫛歯電極の先端と、第１可動櫛歯電極の先端に対向する第１固定櫛歯電極の対向面との間の隙間距離が、振動発電素子が水平に配置された場合より小さくなる。あるいは、第１可動櫛歯電極の一端と第１ストッパとの間の隙間距離が、振動発電素子が水平に配置された場合より小さくなる。このため、可動部が僅かに振動しただけで、第１可動櫛歯電極の先端が上記第１固定櫛歯電極の対向面に当接する。あるいは、第１可動櫛歯電極の一端が第１ストッパに当接する。これにより、可動部の振動の振幅が小さくなり、振動発電素子の発電効率が低下する。
本発明の第１の態様による振動発電素子は、ベースと、第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、前記第２可動電極の先端と、前記第２可動電極の前記先端が対向する前記第２固定電極の対向面との間の隙間距離が、前記第１可動電極の先端と、前記第１可動電極の前記先端が対向する前記第１固定電極の対向面との間の隙間距離と異なる。
本発明の第２の態様による振動発電素子は、ベースと、複数の櫛歯を有する第１可動電極および複数の櫛歯を有する第２可動電極を有する可動体と、前記第１可動電極に対向して設けられ、複数の櫛歯を有する第１固定電極と、前記第２可動電極に対向して設けられ、複数の櫛歯を有する第２固定電極と、前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、前記第１可動電極の前記櫛歯と、前記第１固定電極の前記櫛歯とが対向する第１対向領域長さが、前記第２可動電極の前記櫛歯と、前記第２固定電極の前記櫛歯とが対向する第２対向領域長さと異なる。
本発明の第３の態様による振動発電素子は、ベースと、第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、前記可動体の振幅を規制するため、前記可動体の前記第１固定電極側に配置された一端に対向して設けられた第１ストッパ、および前記可動体の前記第２固定電極側に配置された他端に対向して設けられた第２ストッパと、を備え、前記可動体の前記他端と前記第２ストッパとの間の隙間距離と、前記可動体の前記一端と前記第１ストッパとの間の隙間距離が異なる。
本発明の第４の態様による振動発電素子は、第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、前記可動体を支持する弾性支持部と、前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、前記第２可動電極と前記第２固定電極との間に作用する静電力と、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間に作用する静電力とが異なる。
本発明によれば、可動部に作用する重力に起因する発電効率の低下を抑制することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図２は、図１に図示された振動発電素子が、グラウンドに対して鉛直に配置された状態を示す。 図３は、本発明の第２の実施形態を示す振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図４は、図３に図示された振動発電素子が、グラウンドに対して鉛直に配置された状態を示す。 図５は、本発明の第３の実施形態による振動発電素子を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図６は、図５に図示された振動発電素子のＶI－ＶI線断面図である。 図７は、図５に図示された振動発電素子が、グラウンドに対して鉛直に配置された状態を示す。 図８は、本発明の第４の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図である。 図９は、図８に図示された振動発電素子のエレクトレット形成方法を示す模式図である。 図１０は、図９に続く振動発電素子のエレクトレット形成方法を示す模式図である。 図１１は、本発明の第５の実施形態による振動発電素子の平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図１２は、本発明の第６の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図１３は、本発明の第７の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。 図１４Ａは、図１３のＸＩＶＡ－ＸＩＶＡ線断面である。 図１４Ｂは、図１３のＸＩＶＢ－ＸＩＶＢＡ線断面である。 図１５は、本発明の第８の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。
－第１の実施形態－
図１および図２を参照して第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。
以下の説明において、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、図面に示された方向とする。なお、図１および図２において、Ｚ軸方向は、紙面の裏側から紙面の表側に向かう方向である。
振動発電素子１０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて、一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。振動発電素子１０は、ベース２と、可動部３と、可動部３に接続された第１可動櫛歯電極３１と、可動部３に接続された第２可動櫛歯電極３２と、可動部３をベース２に弾性的に接続する一対の弾性支持部３３ａ、３３ｂと、第１可動櫛歯電極３１と噛合する第１固定櫛歯電極４１と、第２可動櫛歯電極３２と噛合する第２固定櫛歯電極４２とを備えている。
なお、以下の説明において、可動櫛歯電極および固定櫛歯電極を単に可動電極、固定電極と呼ぶ。
ベース２は、例えば、シリコンにより形成されている。可動部３、第１可動電極３１、第２可動電極３２、一対の弾性支持部３３ａ、３３ｂ、第１固定電極４１、第２固定電極４２は、シリコン活性層により形成されている。図示はしないが、ベース２と可動部３との間には、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機絶縁材料が介在している。一対の弾性支持部３３ａ、３３ｂは、それぞれ、ベース２に固定された固定端３６を有しており、各固定端３６も、酸化シリコン、窒化シリコン等の無機材料を介してベース２に固定されている。
可動部３には、錘３４が、接着剤などにより固定されており、可動部３と錘３４は可動体３５を構成している。可動部３に錘３４を固定するのは、可動部３の質量を増大させて小さな環境振動でも効率よく発電するためである。但し、可動体３５を、錘３４を有してない可動部３のみにより構成してもよい。
第１可動電極３１はＹ軸方向に配列された複数の櫛歯３１ａを有し、第２可動電極３２はＹ軸方向に配列された複数の櫛歯３２ａを有する。可動部３、第１可動電極３１、第２可動電極３２および一対の弾性支持部３３ａ、３３ｂは、上述したように、ＭＥＭＳ加工により一体的に形成されている。
第１固定電極４１は、第１可動電極３１の＋Ｘ側に配置されている。第１固定電極４１は、第１可動電極３１の各櫛歯３１ａが挿入される複数の櫛歯４１ａを有する。第２固定電極４２は、第２可動電極３２の－Ｘ側に配置されている。第２固定電極４２は、第２可動電極３２の各櫛歯３２ａが挿入される複数の櫛歯４２ａを有する。
第１固定電極４１および第２固定電極４２は、接続リード７１により負荷７０に電気的に接続されている。
ベース２には、開口２ａが形成されており、可動部３、第１可動電極３１、第２可動電極３２、および弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６を除く部分は、ベース２の開口２ａ上に配置されている。また、第１固定電極４１および第２固定電極４２それぞれのベース２に接合された部分以外の部分、すなわち、複数の櫛歯４１ａ、４２ａおよび櫛歯４１ａ同士、または櫛歯４２ａ同士を連結する部分の一部は、それぞれ、開口２ａ上に配置されている。換言すると、可動電極３１、３２の櫛歯３１ａ、３２ａが対面して相対的に移動する櫛歯４１ａ、４２ａの部分は、開口２ａ上に配置されている。
第１可動電極３１および第１固定電極４１の一方、または両方には、第１エレクトレットが形成されている。また、第２可動電極３２および第２固定電極４２の一方、または両方には、第２エレクトレットが形成されている。
振動発電素子１０を振動源に設置することにより、可動部３は、Ｘ軸方向に振動する。可動部３の一対の弾性支持部３３ａ、３３ｂは、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の剛性が大きく形成され、可動部３は、主として、Ｘ軸方向に振動するように設定されている。例えば、可動部３が＋Ｘ軸方向に変位すると、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２の櫛歯３２ａの対向面積が減少し、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａの対向面積が増大する。対向面積が変化すると、エレクトレットの誘導電荷が変化する。このように、第１固定電極４１、第２固定電極４２と、第１可動電極３１、第２可動電極３２との間の誘導電荷が変化することにより発電が行なわれる。
振動発電素子１０が発生した電力は、例えば、温度センサ、音圧センサ、鉄道保安装置等の負荷７０を駆動する。
図１は、振動発電素子１０が水平に配置された状態で可動部３が振動していない静止状態を示している。
この状態では、弾性支持部３３ａ、３３ｂは、変形しておらず、一直線状に延在されている。弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間には距離Ｌa1が設けられている。弾性支持部３３ａ、３３の固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間には距離Ｌa2が設けられている。距離Ｌa1は距離Ｌa2より大きく設定されている。また、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃa1より小さく設定されている。
図１に図示されるように振動発電素子１０が水平に配置される場合、第１固定電極４１の各櫛歯４１ａのＸ軸方向（可動部３の振動方向）の先端から対向面６１までの長さは、第２固定電極４２の各櫛歯４２ａのＸ軸方向の先端から対向面６２までの長さより大きい。また、第１可動電極３１の各櫛歯３１ａのＸ軸方向の長さは、第２可動電極３２の各櫛歯３２ａのＸ軸方向の長さより大きい。さらに、この状態では、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと、第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向する対向領域（重なり合う領域）のＸ軸方向の長さ（第２対向領域長さＤa2）は、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと、第１可動電極３１の櫛歯３１ａとが対向する対向領域のＸ軸方向の長さ（第１対向領域長さＤa1）より大きい。
図２は、図１に図示された振動発電素子が、グラウンド(地面、大地)に対して鉛直に配置されている状態、換言すると、振動発電素子が鉛直に配置されている状態を示す。すなわち、図２の振動発電素子１０は、図１に比べて、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド（下方）側に接近する姿勢（鉛直姿勢）となっている。実施の形態では、グラウンドに鉛直に配置された振動発電素子の取付姿勢を垂直姿勢、あるいは鉛直姿勢と呼ぶ。
なお、グラウンドに９０度以外の角度で傾斜して配置される場合も同様に、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド（下方）側に接近する姿勢となる。この状態では、図１に比べて、重力の作用により、可動体３５が、弾性支持部３３ａ、３３ｂを撓ませてグラウンド側に下降する。可動体３５のグラウンド側への下降と共に、第１可動電極３１と第２可動電極３２が下方へ移動する。
このため、この状態における、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃaｇ1は、振動発電素子１０が水平状態に配置された図１における、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃa1より小さくなる。一方、図２の状態における、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃaｇ2は、振動発電素子１０が水平状態に配置された図１における、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との隙間距離Ｃa2より大きくなる。
ここで、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃag1が、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃaｇ2と同じか、それより大きくなるように設定されている。
従って、振動源に設置された可動体３５が振動した場合、第２可動電極３２の先端５２が第２固定電極４２の対向面６２に当接するまでは、第１可動電極３１の先端５１が第１固定電極４１の対向面６１に当接することはない。このため、図２に図示されるように、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド側に配置した状態において、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０の発電効率の低下を抑制することができる。
振動発電素子１０を、図１に示す水平配置状態から図２に示す鉛直配置状態にすると、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が増大し、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃa1が減少する。
上述したように、振動発電素子１０が、図１に示す水平状態において、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃa1より小さく設定されている。
つまり、第１可動電極３１の櫛歯３１ａと第１固定電極４１の櫛歯４１ａが対向する領域の長さ（第１対向領域長さＤa1）が増大し、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと第２固定電極４２の櫛歯４２ａが対向する領域の長さ（第２対向領域長さＤa2）が減少する。このため、図２に示すように、振動発電素子１０を鉛直状態にしたとき、第１対向領域長さＤag1と対向領域長さＤag2とが等しくなる方向に近付く。これにより、第１可動電極３１の櫛歯３１ａと第１固定電極４１の櫛歯４１ａの間のエレクトレットの誘電電圧と、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと第２固定電極４２の櫛歯４２ａの間のエレクトレットの誘電電圧を等しくなる方向に近付けることができる。振動発電素子１０を鉛直状態で、第１対向領域長さＤag1と第２対向領域長さＤag2が等しくなるようにすることもできる。但し、第１対向領域長さＤag1と第２対向領域長さＤag2とは、等しくする必要はない。
上記では、水平状態で、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃa1より小さく設定された構造として例示した。しかし、隙間距離Ｃa2と隙間距離Ｃa1とのうち、隙間距離が大きい方をグラウンド側に配置すれば、振動発電素子１０を鉛直状態にしたとき、第１対向領域長さＤag1と対向領域長さＤag2とが等しくなる方向に近付く。このため、水平状態で、第１可動電極３１の櫛歯３１ａと、第１固定電極１の櫛歯３１ａとが対向する第１対向領域長さＤa1が、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと、第２固定電極３２の櫛歯３２ａとが対向する第２対向領域長さＤa2と異なる構造とすればよい。
上記第１の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）振動発電素子１０は、ベース２と、第１可動電極３１および第２可動電極３２を有する可動体３５と、第１可動電極３１に対向して設けられた第１固定電極４１と、第２可動電極３２に対向して設けられた第２固定電極４２と、ベース２に固定される固定端３６を有し、可動体３５を弾性的に支持する弾性支持部と３３ａ、３３ｂとを備え、第１可動電極３１および第１固定電極４１の少なくとも一方には第１エレクトレットが、第２可動電極３２および第２固定電極４２の少なくとも一方には第２エレクトレットが設けられている。
このような振動発電素子１０において、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃa1と異なっている。このため、隙間距離Ｃa1と隙間距離Ｃa2のうち、隙間距離が大きい側の櫛歯電極構造を、隙間距離が小さい側の櫛歯電極構造よりグラウンド側に接近して振動源に設置することにより、隙間距離Ｃa1と隙間距離Ｃa2を同一に設定した振動発電素子に比べて、可動体３５が振動する際の振幅を大きくすることができる。これにより、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０の発電効率の低下を抑制することができる。
（２）上記振動発電素子１０において、第１可動電極３１が第２可動電極３２よりグラウンド側に配置された状態において、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃag1が、第２可動電極３２の先端と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃag2と同じか、それより大きい。このため、振動発電素子１０が第１固定電極４１側を第２固定電極４２よりグラウンド側に配置した状態で、可動体３５が振動した場合、第２可動電極３２の先端５２が第２固定電極４２の対向面６２に当接するまでは、これにより、振動発電素子１０をグラウンドに対しては鉛直状態にした場合において、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０の発電効率の低下を抑制することができる。
（３）上記振動発電素子１０は、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌa1が、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌa2より大きい構成を有する。このように、距離Ｌa2を距離Ｌa1と同じにせず、距離Ｌa1より小さくしたので、振動発電素子１０の振動方向の長さを小さくすることができ、振動発電素子１０の小型化を図ることができる。換言すると、一対の可動電極と固定電極を有する振動発電素子において、鉛直配置を加味して、双方の櫛歯構造を同一にすると、図１、図２では、第２可動電極および第２固定電極の寸法を、第１可動電極および第１固定電極の寸法に合わせる必要があり、大型化してしまうが、実施の形態のように、双方の櫛歯構造を非対称にすることで小型化を図ることができる。
－第２の実施形態－
図３、図４を参照して第２の実施形態を説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態を示す振動発電素子の概略構成を示す平面図であり、振動発電素子が水平に配置された状態を示す。
図３に示す振動発電素子１０Ａが、図１に示す第１の実施形態と相違する点は、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌb1が、弾性支持部３３ａ、３３の固定端３６と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌb2より小さく設定されている点である。また、第２の実施形態では、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃb2と、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃb1とは、ほぼ同じ長さである点でも、第１の実施形態とは相違する。
以下の説明では、第１の実施形態と相違する点を主に説明し、第１の実施形態と同様な構造についての説明は、適宜、省略する。
第２の実施形態の振動発電素子１０Ａにおいては、上述したように、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌb1は、弾性支持部３３ａ、３３の固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌb2より小さく設定されている。また、隙間距離Ｃb2と、隙間距離Ｃb1とは、ほぼ同じ長さである。
図３に示す振動発電素子１０においても、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと、第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向する対向領域のＸ軸方向の長さ（第２対向領域長さＤb2）は、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと、第１可動電極３１の櫛歯３１ａとが対向する対向領域のＸ軸方向の長さ（第１対向領域長さＤb1）より大きい。但し、第１固定電極４１の櫛歯４１ａの長さ（Ｄb1＋Ｃb1）は、第２固定電極４２の櫛歯４２ａの長さ（Ｄb2＋Ｃ
b2）より小さい。
図４は、図３に図示された振動発電素子が、可動部の振動方向がグラウンドに対して鉛直に配置された状態を示す。すなわち、振動発電素子１０Ａは、図３に比べて、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド側に配置した状態となっている。
この状態では，重力の作用により、図１に比べて、可動体３５が、弾性支持部３３ａ、３３ｂを撓ませてグラウンド側に下降する。可動体３５のグラウンド側への下降と共に、第１可動電極３１と第２可動電極３２が下方へ移動する。このため、図４に示す振動発電素子１０Ａは、第１の実施形態の図２に示す構造と同様、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃbg1は、振動発電素子１０Ａが水平状態における、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃb1より小さくなる。
一方、図４の状態における第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃbg2は、振動発電素子１０が水平状態における、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との隙間距離Ｃb2より大きくなる。
そして、図４に示す状態において、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向する対向領域のＸ軸方向の長さ（第２対向領域長さＤbg2）と、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａとが対向する対向領域のＸ軸方向の長さ（第1対向領域長さＤbg1）とが、ほぼ同じ長さとなる。従って、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との隙間距離Ｃbg1は、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃbg2より小さくなる。但し、第１可動電極３１の先端５１は、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１に当接しないように、つまり、隙間距離Cbg1がゼロ以下にならないように設定されている。
従って、変形例の振動発電素子においても、環境振動に伴って、可動体３５が振動した場合、第１可動電極３１の先端５１が、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１に当接したり、第２可動電極３２の先端５２が、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２に当接したりすることはない。このため、振動発電素子１０Ａから発電される電力の発電効率は、図４に図示されるような、振動発電素子１０の第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド側に配置されても、振動発電素子１０の発電効率の低下を抑制することができる。
第２の実施形態では、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌb1が、弾性支持部３３ａ、３３の固定端３６の中心Ｃ－Ｃと、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌb2より小さく設定されている。このため、第２の実施形態では、第１の実施形態に比し、振動発電素子１０Ａの振動方向の長さを小さくすることができ、振動発電素子１０Ａの小型化を図ることができる。
なお、上記では、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと、第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向する第２対向領域長さＤb2が、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと、第１可動電極３１の櫛歯３１ａとが対向する第１対向領域長さＤb1より大きい構造として例示した。しかし、第２対向領域長さＤb2と第１対向領域長さＤb1とのうち、対向領域長さが小さい方をグラウンド側に配置すれば、振動発電素子１０Ａを垂直状態に配置したとき、第２対向領域長さＤb2と第１対向領域長さＤb1とが等しくなる方向に近付く。このため、水平状態で、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと、第１可動電極３１の櫛歯３１ａとが対向する第１対向領域長さＤb1が、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと、第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向する第２対向領域長さＤb2が異なる構造とすればよい。
また、上記第２の実施形態では、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃb2と、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃb1とは、ほぼ同じ長さである構造として例示した。しかし、隙間距離Ｃb1を隙間距離Ｃb2より大きくしてもよい。但し、振動発電素子１０Ａの振動方向の長さを小さくするには、換言すれば、振動発電素子１０Ａの小型化を図るには、隙間距離Ｃb1が隙間距離Ｃb2と、ほぼ同じである構造とする方が有利である。
本発明の第２の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）振動発電素子１０Ａは、ベース２と、複数の櫛歯３１ａを有する第１可動電極３１および複数の櫛歯３２ａを有する第２可動電極３２を有する可動体３５と、第１可動電極３１に対向して設けられ、複数の櫛歯４１ａを有する第１固定電極４１と、第２可動電極３２に対向して設けられ、複数の櫛歯４２ａを有する第２固定電極４２と、ベース２に固定される固定端３６を有し、可動体３５を支持する弾性支持部３３ａ、３３ｂと、第１可動電極３１および第１固定電極４１の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、第２可動電極３２および第２固定電極４２の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備える。第１可動電極３１の櫛歯３１ａと、第１固定電極４１の櫛歯４１ａとが対向する第１対向領域長さＤb1が、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと、第２固定電極４２の櫛歯４２ａとが対向する第２対向領域長さＤb2と異なる。このため、第１対向領域長さＤb1と第２対向領域長さＤb2とのうち、対向領域長さが小さい側を、対向領域長さが大きい側よりグラウンドに接近して振動源に設置することにより、第１対向領域長さＤbg1と第２対向領域長さＤbg2が同じ長さになる方向に近付けることができる。これにより、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０Ａの発電効率の低下を抑制することができる。
（２）上記振動発電素子１０Ａにおいて、前記第１可動電極３１の先端５１と、前記第１可動電極３１の前記先端５１が対向する前記第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃb1が、前記第２可動電極３２の先端５２と、前記第２可動電極３２の前記先端５２が対向する前記第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃb2と同じか、それより大きい。このようにすると、隙間距離Ｃb1が大きいので、第１対向領域長さＤbg1側を、第２対向領域長さＤbg2側よりグラウンド側に配置した状態で、第１対向領域長さＤbg1の隙間距離Ｃbg1が増大し、可動部３のグラウンド側への移動量が無用に制限されず、振動の振幅を大きくすることができる。
（３）上記振動発電素子１０Ａにおいて、第１可動電極３１が前記第２可動電極３２よりグラウンド側に配置されて使用する場合、水平配置状態では、第１対向領域長さＤb1が、第２対向領域の長さＤb2より小さい。これにより、振動発電素子１０Ａを、グラウンドに対して鉛直状態に配置した場合、第１対向領域長さＤb1が第２対向領域の長さＤb2に近づく。好ましくは、略同一になる。その結果、可動体３５が振動する際の振幅を大きくすることができ、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０Ａの発電効率の低下を抑制することができる。
（４）上記振動発電素子１０Ａにおいて、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６と、第１可動電極３１の櫛歯３１ａの先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌb1が、弾性支持部３３ａ，３３ｂの固定端３６と、第２可動電極３２の櫛歯３２ａの先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌb2より小さい。このため、可動部３が振動する方向の振動発電素子１０Ａの長さを小さくすることができ、振動発電素子１０Ａの小型化を図ることができる。
（５）上記振動発電素子１０Ａにおいて、第１固定電極４１の櫛歯４１ａの長さは、第２固定電極４２の櫛歯４２ａの長さより小さい。このため、可動部３が振動する方向の振動発電素子１０Ａの長さを小さくすることができ、振動発電素子１０Ａの小型化を図ることができる。
－第３の実施形態－
図５～図７を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態による振動発電素子を示す平面図であり振動発電素子が水平に配置された状態を示す。図６は、図５に図示された振動発電素子のＶI－ＶI線断面図である。
第３の実施形態は、振動発電素子１００が、可動部１０３の振幅を制限するための第１ストッパ１５ａ、第２ストッパ１５ｂを備える構造を有する点で、第１の実施形態とは相違する。
なお、第３の実施形態においても、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向は、各図に示す方向とする。
振動発電素子１００は、ケース１０１内に収容されている。ケース１０１は、例えば、電気絶縁性の材料（例えば、セラミックス）で形成されている。ケース１０１の上端には、不図示の上蓋が、例えば、シーム溶接され、ケース１０１および上蓋により内部が真空封入される。
振動発電素子１００は、Ｓｉからなるベース１０２と、Ｓｉ活性層からなるデバイス層１０９と、ベース１０２とデバイス層１０９を接合する酸化シリコン、窒化シリコン等の等の無機絶縁材料により形成された接合層１０８とから構成されている。つまり、振動発電素子１００は、図６に図示されるように、ベース１０２、接合層１０８およびＳｉ活性層からなるデバイス層１０９がＺ軸方向に積層された３層構造により構成されている。このような構成の振動発電素子１００は、通常、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて、一般的なＭＥＭＳ加工技術により形成される。
デバイス層１０９には、可動部１０３と、第１可動電極１３１と、第２可動電極１３２と、一対の弾性支持部１３３ａ、１３３ｂと、２つの第１固定電極１４１と、２つの第２固定電極１４２と、第１ストッパ１５ａと、第２ストッパ１５ｂとが形成されている。可動部１０３には、錘１３４が接着材などにより固定されており、可動部１０３と錘１３４は可動体１３５を構成している。可動部１０３に錘１３４を固定するのは、可動部１０３の質量を増大させて小さな環境振動でも効率よく発電するためである。
第１可動電極１３１は、Ｙ軸方向に配列された複数の櫛歯１３１ａを有し、第２可動電極１３２はＹ軸方向に配列された複数の櫛歯１３２ａを有する。第１可動電極１３１と第２可動電極１３２は、複数の櫛歯１３１ａと複数の櫛歯１３２ａを連結する連結部１３８を共通にしており、複数の櫛歯１３１ａは連結部１３８から＋Ｘ軸方向に延在され、複数の櫛歯１３２ａは連結部１３８から－Ｘ軸方向に延在されている。第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａのＸ軸方向の長さと第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａのＸ軸方向の長さとは、ほぼ同じである。但し、櫛歯１３１ａと櫛歯１３２ａのＸ軸方向の長さは異なっていてもよい。
可動部１０３、第１可動電極１３１、第２可動電極１３２および一対の弾性支持部１３３ａ、１３３ｂは、上述したように、ＭＥＭＳ加工により一体的に形成されている。
第１固定電極１４１には、第１可動電極１３１の各櫛歯１３１ａが挿入される複数の櫛歯１４１ａが、Ｙ軸方向に配列されている。また、第２固定電極１４２には、第２可動電極１３２の各櫛歯１３２ａが挿入される複数の櫛歯１４２ａが、Ｙ軸方向に配列されている。第１固定電極１４１の櫛歯１４１ａのＸ軸方向の長さと、第２固定電極１４２の櫛歯１４２ａのＸ軸方向の長さとは、ほぼ同じである。但し、櫛歯１４１ａと櫛歯１４２ａのＸ軸方向の長さは異なっていてもよい。
弾性支持部１３３ａおよび弾性支持部１３３ｂは、それぞれ、３つの支持梁１８１～１８３および３つの支持梁１８１～１８３を両端で連結する一対の支持梁連結部１８４を有する。第１固定電極１４１の可動部１０３から最も離間した位置に設けられた支持梁１８３は、第１ストッパ１５ａに連結されている。第１ストッパ１５ａには、可動部１０３のＸ軸方向の一端１０３ａに対向する突起１６ａが設けられている。第１ストッパ１５ａの突起１６ａと反対側の側縁は、接合層１０８を介して、ベース１０２に固定されている。可動部１０３に最も接近した位置に設けられた支持梁１８１の支持梁連結部１８４と反対側の両端には固定端１３６ａが設けられており、各固定端１３６ａは、接合層１０８を介して、ベース１０２に固定されている。支持梁１８１と支持梁１８３との間に設けられた支持梁１８２は、可動部１０３の一端１０３ａに連結されている。弾性支持部１３３ａおよび第１ストッパ１５ａは、上述したように、ＭＥＭＳ加工により一体的に形成されている。
第２固定電極１４２の可動部１０３から最も離間した位置に設けられた支持梁１８３は、第２ストッパ１５ｂに連結されている。第２ストッパ１５ｂには、可動部１０３のＸ軸方向の他端１０３ｂに対向する突起１６ｂが設けられている。第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂと反対側の側縁は、接合層１０８を介して、ベース１０２に固定されている。可動部１０３に最も接近した位置に設けられた支持梁１８１の両端には固定端１３６ｂが設けられており、各固定端１３６ｂは、接合層１０８を介して、ベース１０２に固定されている。支持梁１８１と支持梁１８３との間に設けられた支持梁１８２は、可動部１０３の他端１０３ｂに連結されている。弾性支持部１３３ｂおよび第２ストッパ１５ｂは、上述したように、ＭＥＭＳ加工により一体的に形成されている。
ベース１０２には、開口１０２ａが形成されている。可動部１０３、第１可動電極１３１、第２可動電極１３２は、ベース１０２の開口１０２ａ上に配置されている。固定端１３６ａおよび第１ストッパ１５ａのベース１０２に固定された部分を除き、第１ストッパ１５ａと弾性支持部１３３ａは、ベース１０２の開口１０２ａ上に配置されている。また、固定端１３６ｂおよび第２ストッパ１５ｂのベース１０２に固定された部分を除き、第２ストッパ１５ｂと弾性支持部１３３ｂは、ベース１０２の開口１０２ａ上に配置されている。
第１固定電極１４１およひ第２固定電極１４２のそれぞれには、リード端子が設けられており、このリード端子上には、アルミニウム等の導電性金属により電極パッド１１４が設けられている。また、第１ストッパ１５ａおよび第２ストッパ１５ｂそれぞれには、リード端子が設けられており、このリード端子上には、アルミニウム等の導電性金属により電極パッド１１３が設けられている。電極パッド１１３、１１４は、ワイヤ１１５により、ケース１０１に設けられた電極１１６ａ、１１６ｂに接続されている。
第１可動電極１３１および第１固定電極１４１の少なくとも一方には、第１エレクトレットが形成されている。また、第２可動電極１３２および第２固定電極１４２の少なくとも一方には、第２エレクトレットが形成されている。
振動発電素子１００を振動源に設置することにより、可動部１０３は、Ｘ軸方向に振動する。一対の弾性支持部１３３ａ、１３３ｂは、Ｙ軸方向およびＺ軸方向の剛性が大きく形成され、可動部３は、主として、Ｘ軸方向に振動するように設定されている。例えば、可動部１０３が＋Ｘ軸方向に変位すると、第２固定電極４２の櫛歯１４２ａと第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの対向面積が減少し、第１固定電極１４１の櫛歯１４１ａと第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの対向面積が増大する。対向面積が変化すると、エレクトレットの誘導電荷が変化する。このように、第１固定電極１４１、第２固定電極１４２と、第１可動電極１３１、第２可動電極１３２との間の誘導電荷が変動することにより発電が行なわれる。
振動源の大きな振幅、振動発電素子設置時の落下等により、可動部１０３が所定より大きく＋Ｘ軸方向に移動すると、可動部１０３の一端１０３ａが第１ストッパ１５ａの突起１６ａに当接する。また、可動部１０３が所定より大きく－Ｘ軸方向に移動すると、可動部１０３の他端１０３ｂが第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂに当接する。このように、可動部１０３が振動する際の振幅は、第１ストッパ１５ａおよび第２ストッパ１５ｂにより制限される。
図５は、可動部１０３が振動しておらず、振動発電素子１００が水平に配置された状態を示す。
この状態では、弾性支持部１３３ａ、１３３ｂそれぞれの支持梁１８１～１８３は、変形しておらず、それぞれ、一直線状に延在されている。この状態における可動部１０３の一端１０３ａと、第１ストッパ１５ａの突起１６ａの間の隙間距離Ｃs1は、可動部１０３の他端１０３ｂと、第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂの間の隙間距離Ｃs2より大きく設定されている。
また、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａと、第２固定電極１４２の櫛歯１４２ａが対向する対向領域の長さ（第２対向領域長さＤc2）は、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａと、第１固定電極１４１の櫛歯１４１ａが対向する対向領域の長さ（第１対向領域長さＤc1）より大きい。さらに、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの先端１５１と、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの先端１５１が対向する第１固定電極１４１の対向面１６１との隙間距離Ｃc1は、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの先端１５２と、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの先端１５２が対向する第２固定電極１４２の対向面１６２との隙間距離Ｃc2より大きい。
また、図５に図示された状態では、第１可動電極１３１と第２可動電極１３２の共通電極である連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと、第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの間の距離Ｌs1は、連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの間の距離Ｌs2より大きい。
なお、第３の実施形態においては、弾性支持部１３３ａの固定端１３６ａと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの距離Ｌt1と、弾性支持部１３３ｂの固定端１３６ｂと第２ストッパ１５ｂに突起１６ｂとの距離Ｌt2は、ほぼ同じである。但し、弾性支持部１３３ａの固定端１３６ａと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの距離Ｌt1を、弾性支持部１３３ｂの固定端１３６ｂと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの距離Ｌt2より大きくしてもよい。
図７は、図５に図示された状態の振動発電素子１００を、グラウンド(地面、大地)に対して垂直に配置した鉛直姿勢を示す。振動発電素子１００の第１固定電極１４１は、第２固定電極１４２よりグラウンド側に位置している。となっている。
この状態では、重力の作用により、可動体１３５が、弾性支持部１３３ａ、１３３ｂを撓ませてグラウンドに下降する。このため、可動部１０３の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの隙間距離Ｃsg1は、振動発電素子１００が水平状態における、可動部１０３の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの隙間距離Ｃs1より小さくなる。一方、可動部１０３の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの隙間距離Ｃsg2は、振動発電素子１００が水平状態における、可動部１０３の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの隙間距離Ｃs2より大きくなる。
なお、図７では、弾性支持部１３３ａ、１３３ｂの支持梁１８１～１８３のうち、可動部１０３に連結された支持梁１８２のみを変形させた図として例示しており、支持梁１８１、１８３の変形は、無視している。
ここで、可動部１０３の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの隙間距離Ｃsg1が、可動部１０３の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの隙間距離Ｃsg2と同じか、それより大きくなるように設定されている。
図７に示す状態で、第１可動電極１３１と第２可動電極１３２の共通電極である連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第１ストッパ１５ａの突起１６ａとの間の距離Ｌsg1と、連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂとの間の距離Ｌsg2とが等しくなる構成であれば、隙間距離Ｃsg1と隙間距離Ｃsg2とが同じになる。また、連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第１ストッパ１５ａの突起１６ａの間の距離Ｌsg1が、連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂの間の距離Ｌsg2より大きい構成であれば、隙間距離Ｃsg1が隙間距離Ｃsg2２より大きくなる。
図７に示す状態では、可動体１３５の下方への移動と共に、第１可動電極１３１と第２可動電極１３２が下方へ移動する。これにより、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａと、第１固定電極１４１の櫛歯１４１ａが対向する対向領域の長さ（第２対向領域長さＤcg2）と、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａと、第１固定電極１４１の櫛歯１４１ａが対向する対向領域の長さ（第１対向領域長さＤcg1）とは、ほほ同じとなる。さらに、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの先端１５１と、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの先端１５１が対向する第１固定電極１４１の対向面１６１との隙間距離Ｃcg1と、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの先端１５２と、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの先端１５１が対向する第２固定電極１４２の対向面１６２との隙間距離Ｃcg2とは、ほぼ同じとなる。
そして、図７に示す状態において、可動体１３５の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａとの間の隙間距離Ｃsg1および可動体１３５の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂとの間の隙間距離Ｃsg2は、共に、第２可動電極１３２の櫛歯１３２ａの先端１５２と、櫛歯１３２ａが対向する第２固定電極１４２の対向面との隙間距離Ｃcg2より小さい。同様に、隙間距離Ｃsg1および隙間距離Ｃsg2は、共に、第１可動電極１３１の櫛歯１３１ａの先端１５１と、櫛歯１３１ａが対向する第１固定電極１４１の対向面１６１との隙間距離Ｃcg1より小さい。従って、可動部１０３が振動した場合、櫛歯１３２ａの先端１５２が第２固定電極１４２の対向面１６２に当接したり、櫛歯１３１ａの先端１５１が第１固定電極１４１の対向面１６１に当接したりする前に、可動部１０３の一端１０３ａが第１ストッパ１５ａの突起１６ａに当接するか、可動部１０３の他端１０３ｂが第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂに当接する。
従って、振動源に設置された可動体１３５が振動した場合、可動部１０３の他端１０３ｂが第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂに当接するまでは、可動部１０３の一端１０３ａが第１ストッパ１５ａの突起１６ａに当接することはない。
このため、図７に図示されるように、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド側に配置する鉛直配置状態において、可動体１３５に作用する重力に起因する振動発電素子１００の発電効率の低下を抑制することができる。
第３の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）振動発電素子１００は、ベース１０２と、第１可動電極１３１および第２可動電極１３２を有する可動体１３５と、第１可動電極１３１に対向して設けられた第１固定電極１４１と、第２可動電極１３２に対向して設けられた第２固定電極１４２と、ベース１０２に固定される固定端１３６ａ、１３６ｂを有し、可動体１３５を支持する弾性支持部１３３ａ、１３３ｂと、第１可動電極１３１および第１固定電極１４１の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、第２可動電極１３２および第２固定電極１４２の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、可動体１３５の振幅を規制するため、可動体１３５の第１固定電極１４１側に配置された一端１０３ａに対向して設けられた第１ストッパ１５ａ、および可動体１３５の第２固定電極１４２側に配置された他端１０３ｂに対向して設けられた第２ストッパ１５ｂとを備えている。このような振動発電素子１００において、可動体１３５の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂとの間の隙間距離Ｃs2と、可動体１３５の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａとの間の隙間距離Ｃs1が異なる。このため、隙間距離Ｃs1と隙間距離Ｃs2のうち、隙間距離が大きい側を、隙間距離が小さい側よりグラウンドに接近して振動源に設置することにより、第２可動電極１３２と第１可動電極１３１の最大移動量を略等しくできる。したがって、第１可動電極の移動量が第２可動電極の移動量より小さくなり発電効が低下する問題が解消され、発電効率が向上する。
（２）上記振動発電素子１００において、第１可動電極１３１が第２可動電極１３２よりグラウンド側に配置された鉛直状態において、可動体１３５の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａとの間の隙間距離Ｃsg1が、可動体１３５の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂとの間の隙間距離Ｃsg2とほぼ同じか、それより大きい。これにより、第２可動電極１３２と第１可動電極１３１の最大移動量を略等しくできる。したがって、第１可動電極の移動量が第２可動電極の移動量より小さくなり発電効が低下する問題が解消され、発電効率が向上する。
－第４の実施形態－
図８～図１０を参照して第４の実施形態を説明する。
図８は、本発明の第４の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図である。
第４の実施形態は、第２可動電極３２と第２固定電極４２との間に作用する静電力を、第１可動電極３１と第１固定電極４１との間に作用する静電力とは異なる大きさにしたものである。
以下の説明では、第４の実施形態が第１の実施形態と相違する点を主に説明し、第１の実施形態と同じ構造についての説明は、適宜、省略する。
図８に示された振動発電素子１０Ｂは、第２可動電極３２と第２固定電極４２の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットの帯電電圧が、第１可動電極３１と第１固定電極４１の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットの帯電電圧より大きくなっている。
このため、振動発電素子１０Ｂを、可動部３の第１固定電極４１を第２固定電極４２よりグラウンド側に配置しても、重力の作用により可動体３５がグラウンド側へ下降するのを抑制することができる。
第１～第３の実施形態の振動発電素子は、ベース１０２と、弾性支持部１３３ａ、１３３ｂでベース１０２に振動可能に支持されている可動体１３５と、可動体１３５に接続された第１可動電極１３１と、ベース１０２に固定された第１固定電極１４１とを含む第１櫛歯電極構造、および、第1櫛歯電極構造と対をなし可動体１３５に接続された第２可動電極１３２と、ベース１０２に固定された第２固定電極１４２とを含む第２櫛歯電極構造が、可動体１３５の中央を通過する中心線に対して非対称の形状を有している。このような形状の非対称性は、振動発電素子を、例えば、グラウンドに鉛直に配置して使用することを想定し、発電効率の向上を企図している。
これに対して、第４の実施形態の振動発電素子は、上記第１櫛歯電極構造と第２櫛歯電極構造が、可動体１３５の中央を通過する中心線に対して対称の形状を有するが、第２固定電極１４２と第２可動電極１３２との間のエレクトレットによる静電力を、第１固定電極１４１と第１可動電極１３１との間のエレクトレットによる静電力より大きくし、振動発電素子をたとえばグラウンドに鉛直に配置したときに、可動体１３５が重力でグラウンド側に変位しないようにし、もって、発電効率の向上を企図している。
図８は、第１固定電極４１が第２固定電極４２よりグラウンド側となるように振動発電素子１０Ｂを配置して使用するときの図である。すなわち、振動発電素子１０Ｂをグラウンドに対して鉛直に配置した状態を示す。振動発電素子１０Ｂでは、第１櫛歯電極構造と第２櫛歯電極構造が、可動体１３５の中央を通過する中心線に対して対称の形状性を有している。すなわち、弾性支持部３３ａ、３３ｂの固定端３６と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の距離Ｌc1が、弾性支持部３３ａ、３３の固定端３６と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の距離Ｌc2とを等しくなるように設計されている。また、第１固定電極１４１の櫛歯形状と第１可動電極１３１の各櫛歯形状、および第２固定電極１４２の櫛歯形状と第２可動電極１３２の各櫛歯形状は、等しく設定されている。第１櫛歯電極構造と第２櫛歯電極構造の形状には対称性がある。
なお、図８は、距離Ｌc1が距離Ｌc2と同じか、それより大きい場合を例示している。
第４の実施の形態の振動発電素子１０Ｂでは、第２櫛歯電極構造の第２可動電極１３２と第２固定電極１４２との間の静電力を、第１櫛歯電極構造の第１可動電極１３１と第２固定電極１４１との間の静電力より大きくし、振動発電素子１０Ｂの振動方向を鉛直方向として使用する場合の弾性支持部１３３ａ，１３３ｂの撓みを防止する。以下、詳細に説明する。
第４の実施の形態における振動発電素子１０Ｂでは、第２エレクトレットによる帯電電圧と第１エレクトレットによる帯電電圧を調整して、振動発電素子１０Ｂを水平設置する場合と、第１固定電極４１を第２固定電極４２よりグラウンド側として鉛直配置する場合、すなわち鉛直方向に配置された鉛直状態の場合とで、距離Ｌc1と距離Ｌc2が殆ど変化しないようにすることができる。換言すれば、振動発電素子１０Ｂを、鉛直状態にしても、可動体３５は、振動発電素子を水平配置した場合の位置に保持され、殆ど下降しないようにすることができる。
このようにすれば、第１可動電極３１の先端５１と、第１可動電極３１の先端５１が対向する第１固定電極４１の対向面６１との間の隙間距離Ｃd1は、振動発電素子１０Ｂを水平に配置して使用しても、鉛直に配置して使用しても、殆ど変化しない。理想的には水平配置と鉛直配置において、全く変化しないのが望ましい。同様に、第２可動電極３２の先端５２と、第２可動電極３２の先端５２が対向する第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃd2は、水平に配置して使用しても、鉛直に配置して使用しても、殆ど変化しない。
このため、第１可動電極３１の櫛歯３１ａと第１固定電極４１の櫛歯４１ａが対向する領域の長さ（第１対向領域長さＤd1）と、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと第２固定電極４２の櫛歯４２ａが対向する領域の長さ（第２対向領域長さＤd2）とは、鉛直に配置して使用するときも、水平に配置して使用するときもほぼ同じにすることができる。従って、水平設置における第１対向領域長さＤd1と第２対向領域長さＤd2とを同じ長さにしておけば、鉛直設置においても、第１対向領域長さＤd1と第１対向領域長さＤd2とを同じ長さにすることができる。
図９は、図８に図示された振動発電素子のエレクトレット形成方法を示す模式図であり、図１０は、図９に続く振動発電素子のエレクトレット形成方法を示す模式図である。
酸化シリコン層２０１をシリコン層２０２、２０３で挟んだ構造の基板（例えば、SOI（Silicon On Insulator）基板）２００を準備する。基板２００を酸化シリコン層２０１が半導体化する高温（５００～７００℃）に加熱する。この状態で、図９に示すように電圧Ｖ１を印加すると、Si/SiO2界面２０４を挟んで電気二重層が形成される。通常、シリコン層には不純物がドープされたものが使用されるが、その場合、ｐ型およびｎ型のどちらも使用することができる。また、不純物を含まないSi層であっても良い。
高温状態においてはSi/SiO2界面２０４は、整流効果を有する。そのため、上側のSi/SiO2界面２０４を挟んでシリコン層２０２側に正電荷が蓄積され、酸化シリコン層２０１側に負電荷が蓄積される。一方、下側のSi/SiO２界面２０４に関しては電流が流れる方向に電圧が印加されるので、電気二重層は形成されない。
次に、電圧を印加した状態で基板２００の温度を常温に戻す。すなわち、酸化シリコン層２０１の絶縁性が復帰する温度まで低下させる。これにより、Si/SiO2界面２０４を挟んだ酸化シリコン層２０１側に蓄積された負電荷はその領域にトラップされたまま移動できなくなる。
この後、図１０に示すように、電圧Ｖ１の印加を止めてシリコン層２０２とシリコン層２０３とを接続する。これにより、シリコン層２０２からシリコン層２０３へ正電荷の一部が移動する。
一方、酸化シリコン層２０１内の負電荷は、酸化シリコン層２０１が絶縁性であるため、印加電圧Ｖ１が解除された後もSi/SiO2界面２０４の近傍にトラップされたままとなる。その結果、図１０に示すように電場Ｅが酸化シリコン層２０１内に形成される。この電場Ｅがエレクトレットによる電場であり、Si/SiO2界面２０４とSi/SiO2界面２０５との間の電位差はＶ１である。すなわち電圧Ｖ１のエレクトレットが形成されたことになる。
加熱状態の基板２００に印加する電圧Ｖ１を調整することにより、Si/SiO2界面２０４とSi/SiO2界面２０５との間の電位差が異なる基板２００を形成することができる。
なお、上記第４の実施形態では、第２エレクトレットの帯電電圧と第１エレクトレットの帯電電圧とが、振動発電素子１０Ｂが、水平配置と、鉛直配置とにおいて、距離Ｌc1が殆ど変化しないように調整されている構成として例示した。しかし、振動発電素子１０Ｂが鉛直配置されたときの距離Ｌc1が、振動発電素子１０Ｂが水平配置されたときの距離Ｌc1より小さくなるように、第２エレクトレットの帯電電圧と第１エレクトレットの帯電電圧とが調整された構成としてもよい。すなわち、鉛直配置されたときの振動発電素子１０Ｂの可動体３５のグラウンド側への下降を抑制するように、第２エレクトレットの帯電電圧と第１エレクトレットの帯電電圧とが調整された構成であればよい。
第４の実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して説明を省略する。
第４の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）振動発電素子１０Ｂは、第１可動電極３１および第２可動電極３２を有する可動体３５と、第１可動電極３１に対向して設けられた第１固定電極４１と、第２可動電極３２に対向して設けられた第２固定電極４２と、可動体３５を支持する弾性支持部３３ａ、３３ｂと、第１可動電極３１および第１固定電極４１の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、第２可動電極３２および第２固定電極４２の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットとを備えている。このような振動発電素子１０Ｂにおいて、第２可動電極３２と第２固定電極４２との間に作用する静電力と、第１可動電極３１と第１固定電極４１との間に作用する静電力とが異なる。このため、静電力が小さい櫛歯電極構造を、静電力が大きい櫛歯電極構造よりグラウンド側として振動源に設置することにより、可動体３５が振動する際の振幅を大きくすることができる。これにより、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０Ｂの発電効率の低下を抑制することができる。
（２）上記振動発電素子１０Ｂにおいて、第１可動電極３１が第２可動電極３２よりグラウンド側に配置された状態において、第２可動電極３２と第２固定電極４２との間に作用する静電力が、第１可動電極３１と第１固定電極４１との間に作用する静電力より大きい。このため、振動発電素子１０Ｂが第１固定電極４１を第２固定電極４２よりグラウンド側に配置した場合、重力の作用により、可動体３５がグラウンド側に下降するのを抑制することができる。これにより、可動体３５に作用する重力に起因する振動発電素子１０Ｂの発電効率の低下を抑制することができる。
－第５の実施形態－
図１１は、本発明の第５の実施形態による振動発電素子の平面図である。
第５の実施形態は、第４の実施形態と同様、第２可動電極３２と第２固定電極４２との間に作用する静電力を、第１可動電極３１と第１固定電極４１との間に作用する静電力とは異なる大きさにしたものであり、この構造を、可動部１０３の振幅を制限する第１、第２ストッパ１５ａ、１５ｂを備える第３の実施形態に示す振動発電素子１００に適用したものである。
以下の説明では、第５の実施形態が第３の実施形態と相違する点を主に説明し、第３の実施形態と同じ構造についての説明は、適宜、省略する。
図１１に示された振動発電素子１００Ａは、第２可動電極１３２と第２固定電極１４２の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットの帯電電圧が、第１可動電極１３１と第１固定電極１４１の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットの帯電電圧より大きくなっている。
このため、振動発電素子１００Ａを、可動部１０３の第１固定電極１４１を第２固定電極１４２よりグラウンド側として、例えば、鉛直配置しても、重力の作用により可動体１３５がグラウンド側へ下降するのを抑制することができる。
図１１は、第１固定電極１４１を第２固定電極１４２よりグラウンド側として振動発電素子１００Ａを鉛直配置して使用する鉛直姿勢を示す。鉛直姿勢で振動発電素子を使用する時は、第１可動電極１３１と第２可動電極１３２の共通電極である連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第１ストッパ１５ａの突起１６ａの間の距離Ｌs3は、連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－Ｃと第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂの間の距離Ｌs4とほぼ同じとなる。また、鉛直姿勢での使用時には、可動部１０３の一端１０３ａと、第１ストッパ１５ａの突起１６ａの間の隙間距離Ｃs3は、可動部１０３の他端１０３ｂと、第２ストッパ１５ｂの突起１６ｂの間の隙間距離Ｃs4とほぼ同じか、またはそれより大きい。
第２エレクトレットによる帯電電圧と第１エレクトレットによる帯電電圧を調整して、振動発電素子１００Ａを水平配置して使用する場合と、第１固定電極４１を第２固定電極４２よりグラウンド側として鉛直配置して使用する場合とで、距離Ｌs3と距離Ｌs4が、殆ど変化しないようにすることができる。換言すれば、可動部１０３の連結部１３８のＸ軸方向の中心Ｃ－ＣのＸ軸方向の位置が、振動発電素子１００Ａが、水平配置されたときと、鉛直配置されときとで、殆ど変化しないようにすることができる。
このようにすると、隙間距離Ｃs3および隙間距離Ｃs4は、それぞれ、振動発電素子１００Ａを水平配置して使用する場合と、鉛直配置して使用する場合とで、殆ど変化しない。
従って、可動部１０３が振動した場合の振幅を、振動発電素子１００Ａを水平配置して使用する場合と、鉛直配置して使用する場合とで、殆ど同じにすることができ、鉛直配置で使用するときの振動発電素子１００Ａの発電効率の低下を抑制することができる。
第５の実施形態の他の構成は、第３の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付し、説明を省略する。
従って、第５の実施形態の振動発電素子１００Ａは、第４の実施形態の振動発電素子１０Ｂの効果（１）、（２）と同様な効果を奏する。
なお、第４および第５の実施形態では、第２可動電極３２、１３２と第２固定電極４２、１４２との間に形成される第２エレクトレットと、第１可動電極３１、１３１と第１固定電極４１、１４１との間に形成される第１エレクトレットとを異なる帯電電圧とすることにより、第２可動電極３２、１３２と第２固定電極４２、１４２との間に作用する静電力と、第１可動電極３１、１３１と第１固定電極４１、１４１との間に作用する静電力とを異なるものとするものであった。しかし、他の構成によっても、第２可動電極３２、１３２と第２固定電極４２、１４２との間に作用する静電力と、第１可動電極３１、１３１と第１固定電極４１、１４１との間に作用する静電力とを異なる大きさとすることが可能である。以下に、それらの振動発電素子について記載する。
－第６の実施形態－
図１２は、本発明の第６の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図である。
第６の実施形態は、第２固定電極４２および第２可動電極３２に設ける櫛歯４２ａ、３２ａの数を、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１に設ける櫛歯４１ａ．３１ａの数とを異なるようにしたものである。
以下の説明では、第６の実施形態が第４の実施形態と相違する点を主に説明し、第４の実施形態と同じ構造についての説明は、適宜、省略する。
図１２に示す振動発電素子１０Ｃでは、第２固定電極４２には、４つの櫛歯４２ａが、第２可動電極３２には、３つの櫛歯３２ａが設けられている。一方、第１固定電極４１には、３つの櫛歯４１ａが、第１可動電極３１には、２つの櫛歯３１ａが設けられている。
つまり、第２固定電極４２および第２可動電極３２それぞれに設けられた櫛歯４２ａ、３２ａの数は、第１固定電極４１および第１可動電極３１それぞれに設けられた櫛歯４１ａ、３１ａの数より多い。従って、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向するの全面積(面積の総和)は、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａが対向するの全面積(面積の総和)より大きい。
このため、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に形成する第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧と、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に形成する第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧とが同じ場合には、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に作用する静電力が、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に作用する静電力より大きくなる。
なお、上記では、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧と、第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧とを同じとした場合で例示した。しかし、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧を第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧より大きくしてもよい。また、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に作用する静電力が、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に作用する静電力より大きくなる条件が満たされる限り、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧を第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧より小さくすることもできる。
第６の実施形態の他の構成は第４の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して、説明を省略する。
従って、第６の実施形態においても、第４の実施形態と同様な効果を奏する。
なお、第６の実施形態の、第２固定電極４２の櫛歯４２ａおよび第２可動電極３２の櫛歯３２ａの数を、第１固定電極４１の櫛歯４１ａおよび第１可動電極３１の櫛歯３１ａの数より多くする構成を、可動部１０３の振幅を制限する第１、第２ストッパ１５ａ、１５ｂを備える第５の実施形態に示す振動発電素子に適用することもできる。
－第７の実施形態－
図１３、図１４（Ａ）、（Ｂ）を参照して、本発明の第７の実施形態を説明する。
図１３は、本発明の第７の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図である。
第７の実施形態は、第２固定電極４２および第２可動電極３２に設ける櫛歯４２ａ、３２ａの厚さを、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１に設ける櫛歯４１ａ、３１ａの厚さと異なるようにしたものである。
以下の説明では、第７の実施形態が第４の実施形態と相違する点を主に説明し、第４の実施形態と同じ構造についての説明は、適宜、省略する。
図１３に示す振動発電素子１０Ｄでは、第２固定電極４２および第２可動電極３２に設けられた櫛歯４２ａ、３２ａの厚さ（Ｚ方向の長さ）が、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１に設けられた櫛歯４１ａ、３１ａの厚さ（Ｚ方向の長さ）より厚い構造を有する。
振動発電素子１０Ｄにおける、第２固定電極４２および第２可動電極３２の櫛歯４２ａ、３２ａの数は、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１の櫛歯４１ａ、３１ａの数と同じである。
図１４Ａは、図１３のＸＩＶＡ－ＸＩＶＡ線断面であり、図１４Ｂは、図１３のＸＩＶＢ－ＸＩＶＢＡ線断面である。
図１４Ａに示されるように、第２固定電極４２に設けられた櫛歯４２ａと第２可動電極３２に設けられた櫛歯３２ａとは、同一の厚さｔ2を有する。図１４Ｂに示されるように、第１固定電極４１に設けられた櫛歯４１ａと第１可動電極３１に設けられた櫛歯３１ａとは、同一の厚さｔ1を有する。櫛歯４２ａと櫛歯３２ａの厚さｔ2は、それぞれ、櫛歯４１ａと櫛歯３１ａの厚さｔ1より大きい（厚い）。従って、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２の櫛歯３２ａとが対向するの全面積(面積の総和)、は、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａが対向するの全面積(面積の総和)より大きい。
このため、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に形成する第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧と、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に形成する第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧とが同じ場合には、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に作用する静電力が、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に作用する静電力より大きくなる。
なお、上記では、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧と、第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧とを同じとした場合で例示した。しかし、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧を第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧より大きくしてもよい。また、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に作用する静電力が、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に作用する静電力より大きくなる条件が満たされる限り、第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧を第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧より小さくすることもできる。
第７の実施形態の他の構成は第４の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して、説明を省略する。
従って、第７の実施形態においても、第４の実施形態と同様な効果を奏する。
なお、第７の実施形態の、第２固定電極４２および第２可動電極３２に設けられた櫛歯４２ａ、３２ａの厚さｔ2を、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１に設けられた櫛歯３１ａ、４１ａの厚さｔ1より厚くする構造を、可動部１０３の振幅を制限する第１、第２ストッパ１５ａ、１５ｂを備える第５の実施形態に示す振動発電素子に適用することもできる。
－第８の実施形態－
図１５は、本発明の第８の実施形態による振動発電素子の概略構成を示す平面図である。
第８の実施形態は、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２の櫛歯３２ａとの隙間ｇ1と、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａとの隙間ｇ2とを異なるようにしたものである。
以下の説明では、第８の実施形態が第４の実施形態と相違する点を主に説明し、第４の実施形態と同じ構造についての説明は、適宜、省略する。
図１５に示す振動発電素子１０Ｅでは、第２固定電極４２の櫛歯４２ａと第２可動電極３２ａの隙間ｇ2が、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａの隙間ｇ1より小さい構造を有する。
振動発電素子１０Ｅにおける、第２固定電極４２および第２可動電極３２の櫛歯４２ａ、３２ａの数は、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１の櫛歯４１ａ、３１ａの数と同じである。また、振動発電素子１０Ｅにおける、第２固定電極４２および第２可動電極３２に設けられた櫛歯４２ａ、３２ａの厚さ（Ｚ方向の長さ）は、それぞれ、第１固定電極４１および第１可動電極３１に設けられた櫛歯４１ａ、３１ａの厚さ（Ｚ方向の長さ）と同じである。
異なる極性の電荷を有する一対の櫛歯間に作用する吸引力は、櫛歯間の隙間ｇが小さい程、大きい。従って、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に形成する第２エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧と、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に形成する第１エレクトレットの単位面積当たりの帯電電圧とが同じ場合には、第２固定電極４２と第２可動電極３２との間に作用する静電力が、第１固定電極４１と第１可動電極３１との間に作用する静電力より大きくなる。
第８の実施形態の他の構成は第４の実施形態と同様であり、対応する構成に同一の符号を付して、説明を省略する。
従って、第８の実施形態においても、第４の実施形態と同様な効果を奏する。
なお、第８の実施形態の、第２固定電極４２の櫛歯４２ａの隙間ｇ2が、第１固定電極４１の櫛歯４１ａと第１可動電極３１の櫛歯３１ａの隙間ｇ1より小さい構造を、第５の実施形態に示す、可動部１０３の振幅を制限する第１、第２ストッパ１５ａ、１５ｂを備える第５の実施形態に示す振動発電素子１００Ａに適用することもできる。
上記第４、第６～第８の実施形態の構成を、適宜、組み合わせることもできる。
つまり、第２固定電極４２と第２可動電極３２とに形成する第２エレクトレットの帯電電圧、第１固定電極４１と第１可動電極３１とに形成する第１エレクトレットの帯電電圧、第２固定電極４２および第２可動電極３２の櫛歯４２ａ、３２ａの数、または厚さ、櫛歯４２ａ－３２ａ間の隙間と櫛歯４１ａ－３１ａ間の隙間、のいずれかが異なる構造の２つ以上を組み合わせて、第１固定電極４１と第１可動電極３１間に作用する静電力と第２固定電極４２と第２可動電極３２間に作用する静電力とが異なる構成の振動発電素子とすることもできる。
さらに、そのような第１固定電極４１と第１可動電極３１間に作用する静電力と第２固定電極４２と第２可動電極３２間に作用する静電力とが異なる構成と、第１の実施形態に示す、第２可動電極３２の先端５２と、第２固定電極４２の対向面６２との間の隙間距離Ｃa2が、第１可動電極３１の先端５１と、第１固定電極の４１対向面６１との間の隙間距離Ｃa1と異なる構成を組み合わせてもよい。あるいは、第１固定電極４１と第１可動電極３１間に作用する静電力と、第２固定電極４２と第２可動電極３２間に作用する静電力とが異なる構成と、第２の実施形態に示す、第１可動電極３１の櫛歯３１ａと、第１固定電極４１の櫛歯４１ａとが対向する第１対向領域長さＤb1が、第２可動電極３２の櫛歯３２ａと、第２固定電極４２の櫛歯４２ａとが対向する第２対向領域長さＤb2と異なる構成と組み合わせてもよい。
同様に、第３の実施形態に、第４、第６～第８の実施形態の構成を組み合わせることもできる。
つまり、第４、第６～第８の実施形態に示す、第１固定電極４１－第１可動電極３１間に作用する静電力と、第２固定電極４２－第２可動電極３２間に作用する静電力とが異なる構成と、第３の実施形態に示す、可動体１３５の他端１０３ｂと第２ストッパ１５ｂとの間の隙間距離Ｃs4と、可動体３５の一端１０３ａと第１ストッパ１５ａとの間の隙間距離Ｃs3が異なる構成とを組み合わせてもよい。
上記実施形態では、ＳＯＩ基板により振動発電素子１０、１０Ａ～１０Ｅ、１００、１００Ａを形成するとして例示したが、ＳＯＩ基板に替えてシリコン基板を用いても良い。また、シリコン基板に替えて、ガラス、金属、アルミナ等を用いてもよい。
上記各実施形態では、第１、第２の可動電極３１、３２、１３１、１３２、および第１、第２固定電極４１、４２、１４１、１４２を櫛歯電極として例示した。しかし、本発明は、櫛歯電極以外の電極に適用することができる。
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。上述した種々の実施の形態および変形例を組み合わせたり、適宜、変更を加えたりしてもよく、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。
２ ベース
３ 可動部
１０、１０Ａ～１０Ｅ 振動発電素子
１５ａ 第１ストッパ
１５ｂ 第２ストッパ
３１ 第１可動櫛歯電極（第１可動電極）
３１ａ 櫛歯
３２ 第２可動櫛歯電極（第２可動電極）
３２ａ 櫛歯
３３ａ、３３ｂ 弾性支持部
３３ｂ 弾性支持部
３４ 錘
３５ 可動体
３６ 固定端
４１ 第１固定電極
４１ａ 櫛歯
４２ 第２固定電極
４２ａ 櫛歯
５１、５２ 先端
６１、６２ 対向面
１００、１００Ａ 振動発電素子
１０２ ベース
１０３ 可動部
１０３ａ 一端
１０３ｂ 他端
１３１ 第１可動電極
１３１ａ 櫛歯
１３２ 第２可動電極
１３２ａ 櫛歯
１３３ａ、１３３ｂ 弾性支持部
１３４ 錘
１３５ 可動体
１３６ａ、１３６ｂ 固定端
１３６ｂ 固定端
１３８ 連結部
１４１ 第１固定電極
１４１ａ 櫛歯
１４２ 第２固定電極
１４２ａ 櫛歯
１５１，１５２ 先端
１６１、１６２ 対向面
Ｃa1、Ｃa2、Ｃag1、Ｃag2、Ｃb1、Ｃb2、Ｃbg1、Ｃbg2、Ｃc1、Ｃc2、Ｃcg1、Ｃcg2、Ｃd1、Ｃd2、Ｃs1～Ｃs4、Ｃsg1、Ｃsg2、 隙間距離
Ｄa1、Ｄag1、Ｄb1、Ｄbg1、Ｄc1、Ｄcg1、Ｄd1 第１対向領域長さ
Ｄa2、Ｄag2、Ｄb2、Ｄbg2、Ｄc2、Ｄcg2、Ｄd2 第２対向領域長さ
Ｌa1、Ｌa2、Ｌb1、Ｌb2、Ｌc1、Ｌc2、Ｌs1～Ｌs4、Ｌsg1、Ｌsg2、Ｌt1、Ｌt2 距離
ｔ1、ｔ2 厚さ
ｇ1、ｇ2 隙間

Claims (17)

  1. ベースと、
    第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、
    前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、
    前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、
    前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、
    前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、
    前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、
    前記第２可動電極の先端と、前記第２可動電極の前記先端が対向する前記第２固定電極の対向面との間の隙間距離が、前記第１可動電極の先端と、前記第１可動電極の前記先端が対向する前記第１固定電極の対向面との間の隙間距離と異なり、
    前記第１可動電極が前記第２可動電極よりグラウンド側に配置された状態において、前記第１可動電極の先端と、前記第１可動電極の前記先端が対向する前記第１固定電極の前記対向面との間の隙間距離が、前記第２可動電極の先端と、前記第２可動電極の前記先端が対向する前記第２固定電極の前記対向面との間の隙間距離と同じか、それより大きく、前記可動体の振動中心が、グラウンド側にずれた状態で振動する、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、
    前記弾性支持部の前記固定端と、前記第１可動電極の前記先端が対向する前記第１固定電極の前記対向面との間の距離が、前記弾性支持部の前記固定端と、前記第２可動電極の前記先端が対向する前記第２固定電極の前記対向面との間の距離より大きい、振動発電素子。
  3. 請求項１または２に記載の振動発電素子において、
    前記第１固定電極および前記第２固定電極は、それぞれ、複数の櫛歯を有し、
    前記第１固定電極の前記各櫛歯の長さは、前記第２固定電極の前記各櫛歯の長さより大きい、振動発電素子。
  4. 請求項１または２に記載の振動発電素子において、
    前記第１可動電極および前記第２可動電極は、それぞれ、複数の櫛歯を有し、
    前記第１可動電極の前記各櫛歯の長さは、前記第２可動電極の前記各櫛歯の長さより大きい、振動発電素子。
  5. ベースと、
    複数の櫛歯を有する第１可動電極および複数の櫛歯を有する第２可動電極を有する可動体と、
    前記第１可動電極に対向して設けられ、複数の櫛歯を有する第１固定電極と、
    前記第２可動電極に対向して設けられ、複数の櫛歯を有する第２固定電極と、
    前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、
    前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、
    前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、
    前記第１可動電極の前記櫛歯と、前記第１固定電極の前記櫛歯とが対向する第１対向領域長さが、前記第２可動電極の前記櫛歯と、前記第２固定電極の前記櫛歯とが対向する第２対向領域長さと異なり、
    前記第１可動電極が前記第２可動電極よりグラウンド側に配置された状態において、前記第１対向領域長さが、前記第２対向領域長さと同じか、それより小さく、前記可動体の振動中心が、グラウンド側にずれた状態で振動する、振動発電素子。
  6. 請求項５に記載の振動発電素子において、
    前記第１可動電極の先端と、前記第１可動電極の前記先端が対向する前記第１固定電極の対向面との間の隙間距離が、前記第２可動電極の先端と、前記第２可動電極の前記先端が対向する前記第２固定電極の対向面との間の隙間距離と同じか、それより大きい、振動発電素子。
  7. 請求項５に記載の振動発電素子において、
    前記弾性支持部の前記固定端と、前記第１可動電極の前記櫛歯の先端が対向する前記第１固定電極の対向面との間の距離が、前記弾性支持部の前記固定端と、前記第２可動電極の前記櫛歯の先端が対向する前記第２固定電極の対向面との間の距離より小さい、振動発電素子。
  8. 請求項５から７までのいずれか一項に記載の振動発電素子において、
    前記第１固定電極の前記櫛歯の長さは、前記第２固定電極の前記櫛歯の長さより小さい、振動発電素子。
  9. ベースと、
    第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、
    前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、
    前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、
    前記ベースに固定される固定端を有し、前記可動体を支持する弾性支持部と、
    前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、
    前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、
    前記可動体の振幅を規制するため、前記可動体の前記第１固定電極側に配置された一端に対向して設けられた第１ストッパ、および前記可動体の前記第２固定電極側に配置された他端に対向して設けられた第２ストッパと、を備え、
    前記可動体の前記他端と前記第２ストッパとの間の隙間距離と、前記可動体の前記一端と前記第１ストッパとの間の隙間距離が異なり、
    前記可動体の前記一端と前記第１ストッパとの間の隙間距離が、前記可動体の前記他端と前記第２ストッパとの間の隙間距離より大きく、
    前記第１可動電極が前記第２可動電極よりグラウンド側に配置された状態において、前記可動体の前記一端と前記第１ストッパとの間の隙間距離が、前記可動体の前記他端と前記第２ストッパとの間の隙間距離とほぼ同じか、それより大きく、前記可動体の振動中心が、グラウンド側にずれた状態で振動する、振動発電素子。
  10. 第１可動電極および第２可動電極を有する可動体と、
    前記第１可動電極に対向して設けられた第１固定電極と、
    前記第２可動電極に対向して設けられた第２固定電極と、
    前記可動体を支持する弾性支持部と、
    前記第１可動電極および前記第１固定電極の少なくとも一方に形成された第１エレクトレットと、
    前記第２可動電極および前記第２固定電極の少なくとも一方に形成された第２エレクトレットと、を備え、
    前記第２可動電極と前記第２固定電極との間に作用する静電力と、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間に作用する静電力とが異なる、振動発電素子。
  11. 請求項１０に記載の振動発電素子において、
    前記第１可動電極が前記第２可動電極よりグラウンド側に配置された状態において、前記第２可動電極と前記第２固定電極との間に作用する静電力が、前記第１可動電極と前記第１固定電極との間に作用する静電力より大きい、振動発電素子。
  12. 請求項１１に記載の振動発電素子において、
    前記第２エレクトレットの帯電電圧が、前記第１エレクトレットの帯電電圧より大きい、振動発電素子。
  13. 請求項１１または１２に記載の振動発電素子において、
    前記第１固定電極と前記第２固定電極は、それぞれ、複数の櫛歯を有し、
    前記第１可動電極と前記第２可動電極は、それぞれ、前記第１固定電極または前記第２固定電極に挿入される複数の櫛歯を有する、振動発電素子。
  14. 請求項１３に記載の振動発電素子において、
    前記第２可動電極の前記櫛歯の数は、前記第１可動電極の前記櫛歯の数より多く、
    前記第２固定電極の前記櫛歯の数は、前記第１固定電極の前記櫛歯の数より多い、振動発電素子。
  15. 請求項１３に記載の振動発電素子において、
    前記第２可動電極の前記各櫛歯の厚さは、前記第１可動電極の前記各櫛歯の厚さより厚く、
    前記第２固定電極の前記各櫛歯の厚さは、前記第１固定電極の前記各櫛歯の厚さより厚い、振動発電素子。
  16. 請求項１３に記載の振動発電素子において、
    前記第２固定電極の前記櫛歯と前記第２可動電極の前記櫛歯との隙間は、前記第１固定電極の前記櫛歯と前記第１可動電極の前記櫛歯との隙間より小さい、振動発電素子。
  17. 請求項１から１６までのいずれか一項に記載の振動発電素子において、
    前記可動体は、前記弾性支持部に支持される可動部と、前記可動部に固定された錘を含む、振動発電素子。
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