JPWO2013132753A1 - 振動発電器及び振動発電装置と、振動発電装置を搭載した通信装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

エレクトレット電極からの電界が広がることを制限する機能を備えつつも、エレクトレット電極と対向電極との間での重なり面積が最大であるときの静電容量を改善することで出力電力を増やす振動発電器を提供する。振動発電器は、互いに対向した離間状態を保持しながら、相対的に移動可能に構成された第１の基板及び第２の基板と、第１の基板に形成された第１の電極と、第１の電極と対向するように第２の基板に形成された第２の電極と、第１の基板において、第１の電極とは異なる領域に形成された第３の電極と、を備え、第１の電極又は第２の電極のいずれか一方が、電荷を保持した膜を含み、第１の電極と第２の電極との間での重なりが最小である場合に第３の電極が接地状態になっており、第１の電極と第２の電極との間での重なりが最大である場合に第３の電極が開放状態になっている。

Description

本発明は、振動発電器及び振動発電装置と、振動発電装置を搭載した通信装置及び電子機器に関し、とりわけエレクトレット材料を用いた静電誘導型の振動発電器及び振動発電装置と、当該振動発電装置を搭載した通信装置及び電子機器に関する。

従来の振動発電装置としては、可変容量の一方の電極に電荷を与え、対向する他方の電極へ静電誘導により電荷を誘起する静電誘導型の振動発電装置が知られている。静電誘導型の振動発電装置では、静電容量が増減するときに、誘起される電荷が変化して、当該電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことによって発電している（例えば、特許文献１を参照）。

図１４は、エレクトレット材料を用いた従来の静電誘導型の振動発電器の一例である振動発電器１０の概略断面図である（特許文献１の図４及び１０頁乃至１１頁を参照すること）。

図１４に示した振動発電器１０は、複数の導電性表面領域１３を有する第１の基板１１と、複数のエレクトレット材料領域１５を有する第２の基板１６と、を備える。第１の基板１１及び第２の基板１６は、所定の間隔で離間配置されている。エレクトレット材料領域１５を含む第２の基板１６は、固定部材として用いられている。導電性表面領域１３を含む第１の基板１１は、固定構造１７に対してバネ１９を介して連結されている。左右のバネ１９の一端部が、第１の基板１１の側面に接続されているとともに、その他端部が固定構造１７に接続されている。当該バネ１９により、第１の基板１１が例えば図１４の左右方向に移動して、定位置に戻ることができる。すなわち、第１の基板１１は、左右の弾性バネ１９を介して、弾性的に支持されている。可動部材としての第１の基板１１が、固定部材としての第２の基板１６に対して移動することにより、エレクトレット材料領域１５と、対向する導電性表面領域１３との間での重なり面積すなわち静電容量の増減が生じ、導電性表面領域１３に電荷の変化が生じる。静電誘導型の振動発電器１０は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことによって発電する。

そして、発電に用いる振動の周波数に応じて、第１の基板１１の振動の共振周波数を選択する。

非特許文献１は、特許文献１と類似の静電誘導型振動発電器を開示している。図１５（ａ）は、非特許文献１に開示されている静電誘導型振動発電器の斜視図である。図１５（ｂ）は、電極構造を示す断面図である。

振動発電器２０は、複数のエレクトレット電極２３を有する第１の基板２１と、複数の対向電極２５を有する第２の基板２６と、で構成される。第１の基板２１と、第２の基板２６とは、互いに所定の間隔を隔てて配置されている。対向電極２５を含む第２の基板２６は固定部材として用いられている。エレクトレット電極２３を含む第１の基板２１は、左右のバネ２９を介して、固定構造２７に連結されている。バネ２９の一端部が第１の基板２１の側面に接続されているとともに、その他端部が固定構造２７に接続されている。この静電誘導型振動発電器２０の動作は、特許文献１と同様である。

図１５（ｂ）に示すように、エレクトレット電極２３及びガード電極２８が短冊状に形成されている。

特表２００５−５２９５７４号公報

T. Tsutsumino, Y. Suzuki, N. Kasagi, and Y. Takane " SEISMIC POWER GENERATOR USING HIGH-PERFORMANCE POLYMER ELECTRET," MEMS 2006, Istanbul, Turkey, (2006), pp.98-101

しかしながら、非特許文献１に示された従来の振動発電器２０の構成では、ガード電極２８はＧＮＤに対して常時接地されている。その結果、ガード電極２８を形成しない場合と比較して静電容量の最大値が小さくなるため、出力電力として取り出すことができる出力電力が減少するという課題を有している。

したがって、本発明の解決すべき技術的課題は、従来のガード電極のようにエレクトレット電極からの電界が広がることを制限する機能を備えつつも、エレクトレット電極と対向電極との間での重なり面積が最大であるときの静電容量（最大静電容量）を改善することで出力電力を増やす振動発電器及び振動発電装置と、当該振動発電装置を搭載した通信装置及び電子機器を提供することである。

上記技術的課題を解決するために、本発明によれば、以下の振動発電器及び振動発電装置と、当該振動発電装置を搭載した通信装置及び電子機器が提供される。

すなわち、本発明に係る振動発電器は、互いに対向した離間状態を保持しながら、相対的に移動可能に構成された第１の基板及び第２の基板と、前記第１の基板に形成された第１の電極と、前記第１の電極と対向するように前記第２の基板に形成された第２の電極と、前記第１の基板において、前記第１の電極とは異なる領域に形成された第３の電極と、を備え、前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれか一方が、電荷を保持した膜を含み、前記第１の電極と前記第２の電極との間での重なりが最小である場合に前記第３の電極が接地状態になっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間での重なりが最大である場合に前記第３の電極が開放状態になっていることを特徴とする。

本発明の振動発電器によれば、第１の電極と第２の電極との間での重なりが最小である場合に第３の電極が接地状態であり、第１の電極と第２の電極との間での重なりが最大である場合に第３の電極が開放状態であることにより、最小容量と最大容量との間での静電容量の変化を大きくすることができ、出力電力を増やすことができるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態に係る振動発電器を模式的に説明する図である。（ａ）は振動発電器の断面図であり、（ｂ）は発電に関与する部分の断面図である。 図１（ａ）に対応する発電に関与する部分の断面図である。（ａ）は第１の電極と第２の電極との間での重なり面積が最小である場合を、（ｂ）は第１の電極と第２の電極との間での重なり面積が最大である場合をそれぞれ示す。 本発明の第１実施形態に係る振動発電器と従来技術の振動発電器とにおける静電容量の最大値及び最小値の関係を比較する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る振動発電器のうち、発電に関与する部分の模式的断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例に係る振動発電器のうち、発電に関与する部分の模式的断面図である。 本発明の第３実施形態に係る振動発電器のうち、発電に関与する部分の模式的断面図である。 図６に示した振動発電器の位置検出回路を例示する図である。 本発明の第４実施形態に係る振動発電器を模式的に説明する図である。（ａ）は振動発電器の断面図であり、（ｂ）は発電に関与する部分の断面図である。 本発明の第５実施形態に係る振動発電装置のブロック図である。 図９に示した振動発電装置の各部の電圧波形を示す図である。 本発明の第６実施形態に係る振動発電装置のブロック図である。 本発明の第７実施形態に係る振動発電装置を備える通信装置のブロック図である。 本発明の第８実施形態に係る振動発電装置を備える電子機器のブロック図である。 従来技術に係る静電誘導型振動発電器の模式的断面図である。 他の従来技術に係る静電誘導型振動発電器の斜視図である。

以下に、図面を参照しながら、本発明に係る各実施形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、必要に応じて特定の方向や位置を示す用語（例えば、「上」、「下」、「右」、「左」及びそれらの用語を含む別の用語）を用いている。しかしながら、それらの用語の使用は、図面を参照したときに本発明の理解を容易にするためであり、それらの用語の意味により、本発明の技術的範囲が制限されるものではない。また、複数の図面に表れる同一符号の部分は、同一の部分又は部材を示す。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る振動発電器１００を模式的に説明する図である。図１（ａ）は振動発電器１００の断面図であり、図１（ｂ）は発電に関与する部分１１０の断面図である。図２は、発電に関与する部分１１０での第１の基板１０１の振動による、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり状態の変化に着目したものである。図２（ａ）は、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積が最小である場合、図２（ｂ）は、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積が最大である場合をそれぞれ示している。なお、図１及び図２では、簡単のために、発電した電力を取り出すための配線構造を図示していない。

振動発電器１００は、可動部材としての第１の基板１０１と、第１の基板１０１の下面に対向する固定部材としての第２の基板１０２Ｌと、第１の基板１０１の上面に対向する第３の基板１０２Ｕと、を備えている。第１の基板１０１は、第２の基板１０２Ｌ及び第３の基板１０２Ｕに対してそれぞれ所定の間隔で離間している。

第２の基板１０２及び第３の基板１０２Ｕは、支持体１０６Ｌ，１０６Ｒを介して連結されている。第１の基板１０１は、弾性バネ１０５Ｌ，１０５Ｒにより支持体１０６Ｌ，１０６Ｒに対してそれぞれ支持されている。つまり、第１の基板１０１は、左右の弾性バネ１０５Ｌ，１０５Ｒを介して、弾性的に支持されている。このため、図１（ａ）に示す振動発電器１００の構造では、第２の基板１０２及び第３の基板１０２Ｕが固定部材として用いられている一方、第１の基板１０１がＸ軸方向（図１では左右方向）に往復運動可能な可動部材として用いられている。

ここで、第１の基板１０１の下面には、複数の第１の電極１０９ａが形成されている。第１の基板１０１に対向する第２の基板１０２Ｌの上面には、複数の第２の電極１０９ｂが、第１の電極１０９ａに対向する位置に形成されている。また、隣り合う２つの第１の電極１０９ａの間には、第３の電極１０９ｃが形成される。本実施形態では、第１の電極１０９ａが、電荷を保持したエレクトレット膜を含むエレクトレット電極であり、エレクトレット電極は、電荷を保持したエレクトレット膜と、導電層と、で構成される。

第１の基板１０１の下面のうち、第１の電極１０９ａが形成されていない領域の一部には、複数の第３の電極１０９ｃが形成されている。第３の電極１０９ｃのそれぞれは、スイッチング素子１０７を介してＧＮＤに電気的に接続されている。

次に、振動発電器１００の動作を説明する。

本実施形態に係る振動発電器１００では、外部から印加される作用（振動）により、第１の基板１０１が例えばＸ軸方向に変位する。弾性バネ１０５Ｌ，１０５Ｒの復元力により、第１の基板１０１が定位置に戻るように移動する。外部からの作用（振動）が停止すると振動が減衰して、第１の基板１０１は停止するが、外部からの作用（振動）が継続する限り第１の基板１０１は振動を続けることになる。

このとき、第１の基板１０１が例えばＸ軸方向に変位すると、第１の電極１０９ｂと第２の電極１０９ａとの間での重なり面積（状態）が変化することで、振動発電器１００は発電する。そして、図２に示すように、第１の基板１０１が振動する際、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）に応じて第３の電極１０９ｃの状態を制御する。図２（ａ）は、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最小である場合を、図２（ｂ）は、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最大である場合を示している。

つまり、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最小である場合、スイッチング素子１０７をＯＮとすることで、第３の電極１０９ｃがＧＮＤに接地される。他方、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最大である場合、スイッチング素子１０７をＯＦＦとすることで、第３の電極１０９ｃが開放状態にされる。

以下、エレクトレット電極から生じる電界の広がりを制御する第３の電極１０９ｃを詳細に説明する。

第１実施形態に示した振動発電器１００では、対向する２組の電極すなわち第１の電極１０９ａ及び第２の電極１０９ｂの間で形成される静電容量が、Ｘ軸方向の振動で変化することにより、電気エネルギーが取り出される。このとき、第３の電極１０９ｃの状態を制御することで、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間で形成される静電容量の変化を大きくすることができる。従来技術では、隣り合うエレクトレット電極の間に介在配置された電極が、いわゆるガード電極として、常にＧＮＤに接地されていた。図３では、ガード電極が常にＧＮＤに接地された従来技術の場合での最大静電容量値Ｃmaxを基準にして、そのときの値を１にして、他の静電容量値と比較している。

常時接地されたガード電極を備える従来技術の構成では、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での静電容量が、重なり面積（状態）が最小であるときの最小値（Ｃmin）０．１７から、重なり面積（状態）が最大であるときの最大値（Ｃmax）１までの範囲で変動している。これに対して、本発明に係る第３の電極１０９ｃの状態が制御可能である構成では、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での静電容量が、重なり面積（状態）が最小であるときの最小値（Ｃmin）０．１７から、重なり面積（状態）が最大であるときの最大値（Ｃmax）１．３５までの範囲で変動している。本実施形態の構成では、誘起される静電容量の最小値（Ｃmin）は従来技術と同じであるが、その最大値（Ｃmax）は従来技術よりも３５％向上している。

このように、第１の基板１０１の位置の変化すなわち第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）の変化に対応して、第３の電極１０９ｃの状態を適宜に変えることにより、最大値（Ｃmax）と最小値（Ｃmin）との間での静電容量の変化を大きくすることできる。静電容量変化が大きくなることにより、振動発電器１００と外部回路との間で移動する電荷量が多くなり、出力電力を増やすことができる。

第３の電極１０９ｃ及びスイッチング素子１０７の組合せは、エレクトレット電極である第１の電極１０９ａから生じる電界の広がりを制御する働きを有している。

すなわち、第３の電極１０９ｃが開放状態（フローティング状態）にあるとき、第１の電極１０９ａから生じた電界が第３の電極１０９ｃによる規制を受けずに広がっていく。その結果、第１の電極１０９ａから生じた電界により、第２の電極１０９ｂ上で誘導される電荷量が増大する。したがって、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最大であるときに第３の電極１０９ｃが開放状態になっていれば、静電容量の最大値（Ｃmax）が従来技術のものよりも大きくなる。

これに対して、第３の電極１０９ｃがＧＮＤに接地された状態にあるとき、第１の電極１０９ａから生じた電界が第３の電極１０９ｃの側に引き寄せられるため、第３の電極１０９ｃが横方向への電界広がりを抑制するように作用する。その結果、第２の電極１０９ｂが第１の電極１０９ａから生じた電界の影響を受けにくくなり、第２の電極１０９ｂの上で誘導される電荷量が減少する。したがって、第１の電極１０９ａと第２の電極１０９ｂとの間での重なり面積（状態）が最小であるときに第３の電極１０９ｃが接地状態になっていれば、容量の最小値（Ｃmin）が従来技術のものと同等レベルまで小さくなる。

以上のように、第１実施形態に係る振動発電器１００によれば、出力電力を増やすことができるという効果を奏する。

なお、本実施形態では、第１の電極１０９ａがエレクトレット電極である場合を例示したが、第２の電極１０９ｂがエレクトレット電極である場合でも同様の効果を奏する。

また、電荷を保持するエレクトレット膜の材料としては、ポリプロピレン、ポリエステルテレフタレート、ポリビニルクロライドなどの高分子材料、あるいは酸化シリコンなどの無機材料を利用することができる。

また、耐湿性を向上させるため、エレクトレット膜である酸化シリコンの周囲をシリコン窒化膜等の絶縁膜で完全に覆う構造とすることが好ましい。例えば酸化シリコンを用いる場合は、シリコン窒化膜等の絶縁膜で酸化シリコンの周囲を完全に覆う構造とすることで、絶縁耐圧、耐熱性、さらには耐湿性に優れたエレクトレット電極を得ることが可能となる。

なお、第１の基板１０１の振動方向において、第２の電極１０９ｂが第１の電極１０９ａを超えた領域に延在するまで（第１の電極１０９ａの外側領域にまで）の広い領域で、第２の電極１０９ｂを形成することができる。より好ましくは、第１の基板１０１（特に第１の電極１０９ａ）の振動限界（振動により変位可能な範囲）まで第２の電極１０９ｂを形成することができる。

当該構成によれば、最大変位まで発電することができるという効果を奏する。

第１の基板１０１の振動方向において、第１の電極１０９ａ及び第２の電極１０９ｂが互いに概ね同じであるように第２の電極１０９ｂを形成すると、第１の基板１０１が大きな振幅（変位）で振動した場合、第１の電極１０９ａ（とりわけ端に位置する第１の電極）と第２の電極１０９ｂとが重ならない時間が増加して、出力電力が減少するといった問題が発生する。

しかしながら、第１の基板１０１の振動方向において、第２の電極１０９ｂの領域を第１の電極１０９ａの領域よりも大きく形成する（第１の電極１０９ａの外側領域まで形成する）ことで、対向する電極１０９ａ，１０９ｂ同士が重ならない時間を無くすことができ、出力電力の減少を抑制することができる。すなわち振動発電器１００の出力電力を安定化することができる。

このような第２の電極１０９ｂの構成は、特に、第１の基板１０１の振動幅を大きくすることができ、第１の電極１０９ａが第２の電極１０９ｂの幅（例えば第２の電極の個々の電極の幅）を超えて振動するような振動発電器において効果的である。

さらに、第１の基板１０１の電極形成面の形状は、正方形だけでなく、矩形であっても、あるいは他の形状であってもよい。

（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係る振動発電器２００のうち、発電に関与する部分２１０の断面図である。第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり面積（状態）を第２の電極２１９ｂによって検出している。動作等は第１実施形態と同様である。

図４に示した発電に関与する部分２１０は、可動部材としての第１の基板２１１と、第１の基板２１１の下面に対向する固定部材としての第２の基板２１２Ｌと、位置検出回路２１８と、スイッチング素子２１７と、を備えている。第１の基板２１１の下面には、複数の第１の電極２１９ａが形成されている。第２の基板２１２Ｌの上面には、複数の第２の電極２１９ｂが形成されている。第１の基板２１１の下面のうち、第１の電極２１９ａが形成されていない領域の一部には、複数の第３の電極２１９ｃが形成されている。第２実施形態では、第１の電極２１９ａが、電荷を保持したエレクトレット膜を含むエレクトレット電極であり、エレクトレット電極は、電荷を保持したエレクトレット膜と、導電層と、で構成される。

各第３の電極２１９ｃは、スイッチング素子２１７を介してＧＮＤに接地されている。スイッチング素子２１７は、位置検出回路２１８からの信号に基づいて、ＯＮ又はＯＦＦのスイッチング動作を行う。位置検出回路２１８は、第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり状態（位置）を検出する手段として、第２の電極２１９ｂに電気的に接続されている。

位置検出回路２１８では、第２の電極２１９ｂからの交流出力電圧に基づいて、第１の電極２１９ａと第２の電極２１０ｂとの間での重なり状態（位置）を検出する。重なり面積が最大付近及び最小付近となる状態（位置）では電圧振幅の絶対値が最大となるため、この電圧振幅を検出することによって重なり状態（位置）を検出する。検出された電圧振幅を例えば直流電圧信号に変換してスイッチング素子２１７に入力する。入力された直流電圧信号ＶＤＣがスイッチング素子２１７の動作電圧を超える場合、スイッチング素子２１７がＯＮとなり、それ以下の場合、スイッチング素子２１７がＯＦＦとなる。

第２の電極２１９ｂからの出力電圧は交流電圧として出力される。一例として、スイッチング素子２１７にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スイッチのようなメカニカルなスイッチを用いた場合でのスイッチング素子２１７の動作を説明する。

ＭＥＭＳスイッチは、プルイン電圧以下である所定の電圧（閾値）では、スイッチングを行わない。直流電圧信号ＶＤＣがプルイン電圧以上の値になると、スイッチング素子２１７がＯＮ状態（ＧＮＤへ接地）となり、直流電圧信号ＶＤＣがプルイン電圧以下の値となると、スイッチング素子２１７がＯＦＦ状態（開放）となる。

スイッチングを行う所定の電圧（閾値）は、スイッチング素子２１７によって決定されるが、少なくとも、第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり面積（状態）が最小になるタイミングでは、ＯＮ（ＧＮＤに接地状態）となるように設定される。

あるいは、スイッチングを行う所定の電圧（閾値）は、少なくとも、第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり面積（状態）が最大になるタイミングでは、ＯＦＦ（開放状態）となるように設定される。

例えば、第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり面積（状態）が中間的なものになっているタイミングで、スイッチング素子２１７をＯＮ（ＧＮＤに接地状態）又はＯＦＦ（開放状態）に切り替えることができる。切り替えのタイミングが、最大の重なり面積（状態）の側又は最小の重なり面積（状態）の側のどちらかにシフトしていてもよい。要は、重なり面積（状態）が最大であるときにスイッチング素子２１７がＯＦＦ（開放状態）になっていて、重なり面積（状態）が最小であるときにスイッチング素子２１７がＯＮ（接地状態）になっていればよい。

第２実施形態に係る振動発電器２００によれば、発電に関与する電圧を出力する系統での出力電圧の増減を、そのまま第３の電極２１９ｃの状態制御に使うことができるため、より正確な制御が可能であるという効果を奏する。

第２実施形態に示す振動発電器２００では、第２の電極２１９ｂに対して位置検出回路２１８が電気的に接続されている。位置検出回路２１８は、発電に関与する第２の電極２１９ｂからの交流出力電圧に基づいて、第１の電極２１９ａと第２の電極２１９ｂとの間での重なり状態（位置）を検出する。検出された重なり状態（位置）に基づいて、スイッチング素子２１７をＯＮ又はＯＦＦに切り替えて、第３の電極２１９ｃを接地状態又は開放状態に切り替えて、第３の電極２１９ｃの状態を制御することができる。

なお、図５は、上記第２実施形態の変形例を示している。図５の変形例と図４に示したものと相違点は、第３の電極２２９ｃが、第２の電極２２９ｂの形成された第２の基板２２２Ｌの上面に形成されていることである。第１の基板２２１の下面に形成された第１の電極２２９ａ（エレクトレット電極）から生じた電界の広がりが、第２の基板２２２Ｌの上面に形成された第３の電極２２９ｃによって制御される。すなわち、第３の電極２２９ｃが開放状態（フローティング状態）にあるとき、第１の電極２２９ａからの電界が規制されずに広がっていく。第３の電極２２９ｃがＧＮＤに接地された状態にあるとき、第３の電極２２９ｃが横方向への電界漏れを抑制する。

位置検出回路２２８が、発電に関与する第２の電極２２９ｂに電気的に接続されている。第２の電極２２９ｂからの交流出力電圧に基づいて、位置検出回路２２８が、第１の電極２２９ａと第２の電極２２９ｂとの間での重なり状態（位置）を検出する。検出された重なり状態（位置）に基づいて、スイッチング素子２２７をＯＮ又はＯＦＦに切り替えて、第３の電極２２９ｃを接地状態又は開放状態に制御することができる。したがって、図５に示した第２実施形態の変形例においても、同様の効果を奏する。

また、第１の電極２２９ａが形成された第１の基板２２１の側、及び、第２の電極２２９ｂが形成された第２の基板２２２Ｌの側において、第３の電極２２９ｃを形成することができる。当該構成においても、第１の電極２２９ａと第２の電極２２９ｂとの間での重なり面積（状態）に基づいて、第３の電極２２９ｃを接地状態又は開放状態に切り替えることで同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
図６は、本発明の第３実施形態に係る振動発電器３００のうち、発電に関与する部分３１０の断面図である。

第３実施形態と第２実施形態との相違点は、第１の電極３１９ａと第２の電極３１９ｂとの間での重なり状態（位置）を第４の電極３１９ｄで検出していることであり、発電動作、重なり状態（位置）の検出動作、第３の電極３１９ｃの状態制御は、第１実施形態及び第２実施形態と同様である。

図６に示した発電に関与する部分３１０は、可動部材としての第１の基板３１１と、第１の基板３１１の下面に対向する固定部材としての第２の基板３１２Ｌと、第４の電極３１９ｄに電気的に接続された位置検出回路３１８と、スイッチング素子３１７と、を備えている。第１の基板３１１の下面には、複数の第１の電極３１９ａが形成されている。第２の基板３１２Ｌの上面には、複数の第２の電極３１９ｂが形成されている。第１の基板３１１の下面のうち、第１の電極３１９ａが形成されていない領域の一部には、複数の第３の電極３１９ｃが形成されている。第２の基板３１２Ｌの上面のうち、第２の電極３１９ｂが形成されていない領域の一部には、第４の電極３１９ｄが形成されている。第３実施形態では、第１の電極３１９ａが、電荷を保持したエレクトレット膜を含むエレクトレット電極である。

第３の電極３１９ｃはスイッチング素子３１７を介してＧＮＤに接地されている。スイッチング素子３１７は、位置検出回路３１８からの信号に基づいてスイッチング動作を行う。位置検出回路３１８は、第１の電極３１９ａと第２の電極３１９ｂとの間での重なり状態（位置）を検出する。

第３実施形態に係る振動発電器３００によれば、振動からの出力電力を増やすことができ、かつ、有効に取り出すことが可能であるという効果を奏する。

第３実施形態に示す振動発電器３００は、発電に関与する第１の電極３１９ａ及び第２の電極３１９ｂとは別に、第１の電極３１９ａと第２の電極３１９ｂとの間での重なり状態（位置）を検出するために用いられる第４の電極３１９ｄを備えている。第４の電極３１９ｄからの交流出力電圧に基づいて、位置検出回路３１８が、重なり状態（位置）を検出する。検出結果に基づいて、スイッチング素子３１７をＯＮ又はＯＦＦに切り替えて、第３の電極３１９ｃを接地状態又は開放状態に制御する。したがって、第１の電極３１９ａと第２の電極３１９ｂとの間で形成される静電容量の変化を大きくすることができるので、出力電力を増やすことができる。それとともに、重なり状態（位置）を検出する系統が、発電に関与する電圧を出力する系統とは別系統であるので、出力電力を減じることなく制御することができる。

（位置検出回路）
図７は、図６に示した位置検出回路３１８の構成を例示している。位置検出回路３１８は、抵抗、コンデンサ、ダイオードにより構成される。第４の電極３１９ｄからは、交流電圧信号が出力されるためダイオードにより、電圧振幅のピークを検出する。検出された電圧信号は、抵抗、コンデンサによりピークホールドされてスイッチング素子３１７へ入力される。スイッチング素子３１７は所定の電圧（閾値）以上でＯＮとなり、第３の電極３１９ｃをＧＮＤに接地した状態にする。所定の電圧（閾値）以下の場合は、ＯＦＦのままとなり、第３の電極３１９ｃの開放状態を保持する。スイッチング素子３１７に使用されるスイッチング素子の例としては、ＦＥＴ等の半導体スイッチだけでなく、リレー、ＭＥＭＳスイッチなども利用可能である。

なお、図７に示した位置検出回路３１８では、電圧振幅の値は、抵抗３３１のインピーダンスにより調整が可能であり、スイッチング素子３１７をＯＮできる電圧になるように調整できる。当該構成によれば、電圧振幅を大きくするときは、抵抗３３１を大きく（軽負荷）し、電圧振幅を小さくするときは、抵抗３３１を小さく（重負荷）することで、電力を取り出する系統での負荷とは別に、所望の電圧となるように、第４の電極３１９ｄの負荷を設定することができる。

（第４実施形態）
図８は、本発明の第４実施形態に係る振動発電器４００を模式的に説明する図であり、（ａ）は振動発電器４００の断面図であり、（ｂ）は発電に関与する部分４１０の断面図である。

第４実施形態と上述した第１実施形態との相違点は、第１の基板４０１の上面及び下面と、第２の基板４０２Ｌの上面と、第３の基板４０２Ｕの下面と、においてそれぞれ電極が形成され、第１の基板４０１と第２の基板４０２Ｌとの間、及び、第１の基板４０１と第３の基板４０２Ｕとの間で発電していることである。

図８（ａ）に示した振動発電器４００は、可動部材としての第１の基板４０１と、第１の基板４０１の下面に対向する固定部材としての第２の基板４０２Ｌと、第１の基板４０１の上面に対向する第３の基板４０２Ｕと、を備えている。第１の基板４０１は、第２の基板４０２Ｌ及び第３の基板４０２Ｕに対してそれぞれ所定の間隔で離間している。

第２の基板４０２Ｌ及び第３の基板４０２Ｕは、支持体４０６Ｌ、４０６Ｒで連結されている。第１の基板４０１は、弾性バネ４０５Ｌ，４０５Ｒにより支持体４０６Ｌ、４０６Ｒに対してそれぞれ支持されている。第１の基板４０１は、左右の弾性バネ４０５Ｌ，４０５Ｒを介して、弾性的に支持されている。図８（ａ）に示す振動発電器４００の構造では、第２の基板４０２Ｌ及び第３の基板４０２Ｕが固定部材として用いられている一方で、第１の基板４０１がＸ軸方向（図８（ａ）の左右方向）に往復運動可能な可動部材として用いられている。

図８（ｂ）に示した発電に関与する部分４１０は、第１の基板４０１と、第１の基板４０１の下面に対向する第２の基板４０２Ｌと、第１の基板４０１の上面に対向する第３の基板４０２Ｕと、スイッチング素子４０７と、を備えている。第１の基板４０１の下面には、形成された複数の第１の電極４０９Ｌａが形成されている。第１の基板４０１の下面のうち、第１の電極４０９Ｌａが形成されていない領域の一部には、複数の第３の電極４０９Ｌｃが形成されている。第２の基板４０２Ｌの上面には、複数の第２の電極４０９Ｌｂが形成されている。第１の基板４０１の上面には、複数の第５の電極４０９Ｕａが形成されている。第１の基板４０１の上面のうち、第５の電極４０９Ｕａが形成されていない領域の一部には、複数の第７の電極４０９Ｕｃが形成されている。第３の基板４０２Ｕの下面には、複数の第６の電極１０９Ｕｂが形成されている。第４実施形態では、第１の電極４０９Ｌａ及び第５の電極４０９Ｕａが、電荷を保持したエレクトレット膜を含むエレクトレット電極である。

第３の電極４０９Ｌｃ及び第７の電極４０９Ｕｃのそれぞれは、スイッチング素子４０７を介してＧＮＤに接地されている。第１の電極４０９Ｌａと第２の電極４０９Ｌｂとの間での重なり面積（状態）、及び、第５の電極４０９Ｕａと第６の電極４０９Ｕｂとの間での重なり面積（状態）に基づいて、スイッチング素子４０７をＯＮ又はＯＦＦに切り替えて、第３の電極４０９Ｌｃ及び第７の電極４０９Ｕｃが接地状態又は開放状態に制御される。

このように、発電領域を第１の基板４０１の上面及び下面の両方に形成した場合でも、第１実施形態と同様の動作及び効果を奏する。

（第５実施形態）
図９及び図１０を参照しながら、本発明の第５実施形態に係る振動発電装置５００を説明する。図９は、第５実施形態に係る振動発電装置５００のブロック図である。図９に示す振動発電器５０１は、第１実施形態乃至第４実施形態で開示した振動発電器のいずれか１つである。

図９に示した振動発電装置５００は、振動発電器５０１と、整流回路５０２と、電圧変換回路５０３と、出力切替回路５０４と、蓄電回路５０５と、電圧制御回路５０６と、を備えている。振動発電器５０１から出力された交流電圧を、整流回路５０２によって直流電圧に変換する。変換された直流電圧を、電圧変換回路５０３に入力して、振動発電装置５００での所望の出力電圧レベルまで電圧変換する。変換された直流電圧を、出力切替回路５０４により、電圧制御回路５０６又は蓄電回路５０５に入力する。電圧制御回路５０６は、直流出力電圧が一定となるように電圧を制御して出力する。

図１０を参照しながら、上記振動発電装置５００の動作を説明する。

図１０は、振動発電装置５００の各部の電圧波形を示している。図１０（ａ）は、振動発電器５０１からの交流出力電圧の波形を示している。本実施形態では、簡単のために、可動部材の変位方向が変わるところでも、効率よく発電して、可動部材の振動により正弦波の交流電圧を出力すると仮定している。ここで、振動発電器５０１の交流出力電圧は、可動部材の振動幅、可動部材と固定部材との間でのギャップ、エレクトレット膜の保持電荷量、振動発電器５０１から見た外部インピーダンスの大きさなどにより電圧振幅Ｖｇが異なる。振動発電器５０１から出力された交流電圧は、図１０（ｂ）に示すように、整流回路５０２により直流電圧ＶＤＣ１に変換される。直流電圧ＶＤＣ１は、振動発電装置５００の出力電圧レベルＶＤＣ２まで電圧変換回路５０３によって変換される。出力切替回路５０４の動作は、振動発電装置５００からの電圧出力を必要としないときには、電圧制御回路５０６に対して出力することなく、発電された電力を蓄電回路５０５に蓄えるか、又は、振動発電装置５００からの電圧出力を必要とするものの出力電力が小さいときには、蓄電回路５０５に蓄えられた電力を出力するか、のいずれかを行うように切り替える。出力切替回路５０４からの出力は、図１０（ｃ）に示すように、所望の直流出力電圧ＶＯＵＴを出力するように電圧制御回路５０６によって制御される。

また、振動発電器５００の出力電圧は、種々の要因で変動する。振動発電器５００の出力電圧の変動に対応するため、最終的に出力される直流出力電圧ＶＯＵＴよりも若干高い電圧に出力電圧レベルＶＤＣ２を設定することが望ましい。出力電圧レベルＶＤＣ２を高めに設定することで、微小な電圧変動に対しても、出力電圧を一定にすることができる。一例として、１．８Ｖを出力する場合について説明する。出力電圧レベルＶＤＣ２を１．８Ｖに設定した場合、振動発電器５０１の出力電圧が低下すると、振動発電装置５００の直流出力電圧ＶＯＵＴも低下するが、例えば、出力電圧レベルＶＤＣ２を２Ｖに設定しておけば、０．２Ｖの電圧低下に対しても十分に制御できるという効果を奏する。

（第６実施形態）
図１１は、第６実施形態に係る振動発電装置６００のブロック図である。図１１において、振動発電器６００は、第１実施形態乃至第４実施形態のいずれかに示されたものである。

図１１に示した振動発電装置６００は、振動発電器６０１と、整流回路６０２と、電圧変換回路６０３と、出力制御回路６０４と、蓄電回路６０５と、電圧制御回路６０６と、を備えている。振動発電器６０１から出力された交流電圧を、整流回路６０２により直流電圧に変換する。変換された直流電圧を電圧変換回路６０３に入力して、振動発電装置６００の電圧制御可能な電圧レベルに電圧変換する。変換された直流電圧を、電圧制御回路６０６で所望の電圧に制御して蓄電回路６０５に入力する。出力制御回路６０４では、蓄電回路６０５に蓄えられた電力を負荷の状態に合わせて出力を制御する。

このような構成を有する振動発電装置６００においても、第５実施形態に係る振動発電装置５００と同様の効果を得ることができる。

振動発電装置６００の動作は、第５実施形態に係る振動発電装置５００の動作と実質的に同じである。蓄電回路６０５に最適な直流電圧を供給するように、電圧制御回路６０６の直流出力電圧を設定する。また、出力制御回路６０４は、負荷の状態に合わせて振動発電装置６００からの直流出力電圧を制御する。

（第７実施形態）
図１２は、自動車に搭載されるタイヤ空気圧モニタリングシステム等で使用される通信装置７００のブロック図である。図１２において、振動発電装置７０１は第６実施形態で示されたものである。

図１２に示した通信装置７００は、振動発電装置７０１と、電池７０２と、電源制御部７０３と、圧力センサ７０４と、処理部７０５と、通信部７０６と、アンテナ７０７と、を備えている。振動発電装置７０１は、振動によって発電する。電池７０２は、通信装置７００の主電源として、又は、振動発電装置７０１のサブ電源として機能する。電源制御部７０３は、振動発電装置７０１からの出力と電池７０２からの出力とを切り替えて、回路に出力を供給する。圧力センサ７０４は、タイヤの空気圧を測定する。処理部７０５は、圧力センサ７０４からの出力信号を処理して通信部７０６に伝える。通信部７０６は、処理部７０５からの入力信号を高周波信号に変換してアンテナ７０７へ伝える。

上記通信装置７００の動作を説明する。

圧力センサ７０４、処理部７０５及び通信部７０６が動作するために必要な電力を、電源制御部７０３を介して、振動発電装置７０１及び／又は電池７０２から供給する。圧力センサ７０４は、タイヤの空気圧を測定し、測定結果を電圧信号に変換して処理部７０５へ入力する。処理部７０５で処理された信号は、通信部７０６へ入力されて高周波信号としてアンテナ７０７から伝搬される。

このように、振動発電装置７０１を通信装置７００の電源として利用する場合、電池交換等のメンテナンス作業回数の低減、あるいは電池交換無しといった状況が可能となる。

また、本実施形態では、振動発電装置７０１及び電池７０２の少なくとも一方を用いる場合を例示したが、振動発電装置７０１からの出力電力が、圧力センサ７０４、処理部７０５及び通信部７０６の回路で消費する電力、通信に必要な電力を十分にまかなうことができれば、振動発電装置７０１のみを用いることができる。その場合、電池７０２及び電源制御部７０３が不要となり、通信装置７００の小型化が可能になる。

第７実施形態では、図１２のブロック図を参照しながら、圧力センサ７０４のみを装備した通信装置７００を説明したが、自動車の動作状況を検出して電力を制御するためのセンサ及び制御回路が搭載された通信装置においても同様の効果を得ることができる。

さらに、第７実施形態では、第１実施形態乃至第４実施形態に開示した振動発電器の使用を例示したが、外部からの振動を電力に変換可能な他の振動発電器を用いても、同様の効果を得ることができる。

（第８実施形態）
図１３は、おもちゃなどに搭載される音の出る電子機器８００のブロック図である。図１３において、振動発電装置８０１は第６実施形態で開示したものである。

図１３に示した電子機器８００は、振動発電装置８０１と、電池８０２と、電源制御部８０３と、センサ８０４と、処理部８０５と、制御部８０６と、スピーカー８０７と、を備えている。振動発電装置８０１は、振動によって発電する。電池８０２は、電子機器８００の主電源として、又は、振動発電装置８０１のサブ電源として機能する。電源制御部８０３は、振動発電装置８０１からの出力と電池８０２からの出力とを切り替えて、出力を回路に供給する。センサ８０４は、外部からの入力（例えば、ボタンプッシュ、傾きなど）を検出する。処理部８０５は、センサ８０４からの出力を処理して制御部８０６に伝える。制御部８０６は、処理部８０５からの入力信号により、スピーカー８０７への出力信号を伝える。スピーカー８０７は、音を出力する。

以上のように構成された電子機器８００の動作について説明する。

センサ８０４、処理部８０５及び制御部８０６が動作するために必要な電力を、電源制御部８０３を介して振動発電装置８０１及び／又は電池８０２から供給する。センサ８０４は、外部からの入力を検出し、検出結果を処理部８０５へ入力する。処理部８０５で処理された信号が所望の値を超えると、制御部８０６へ入力されてスピーカー８０７から音を出力する。

このように、振動発電装置８０１を電子機器８００の電源として利用する場合、電池交換等のメンテナンス作業回数の低減、あるいは電池交換無しといった状況が可能となる。

また、第８実施形態では、振動発電装置８０１及び電池８０２の少なくとも一方を用いる場合を例示したが、振動発電装置８０１からの出力電力が、センサ８０４、処理部８０５及び制御部８０６の回路で消費する電力を十分にまかなうことができれば、振動発電装置８０１のみを用いることができる。その場合、電池８０２及び電源制御部８０３が不要となり、電子機器８００の小型化が可能になる。

また、第８実施形態では、第１実施形態乃至第５実施形態に開示した振動発電器の使用を例示したが、外部からの振動を電力に変換可能な他の振動発電器を用いても、同様の効果を得ることができる。

なお、上記各実施形態は、あくまでも例示であって、非制限的なものと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ 振動発電器
１０１ 第１の基板（可動部材）
１０２Ｌ 第２の基板（固定部材）
１０２Ｕ 第３の基板
１０９ａ 第１の電極
１０９ｂ 第２の電極
１０９ｃ 第３の電極
１０９ｄ 第４の電極
１０７ スイッチング素子
１１０ 発電に関与する部分
２１８ 位置検出回路
５００ 振動発電装置
６００ 振動発電装置
７００ 通信装置
８００ 電子機器

Claims (10)

1. 互いに対向した離間状態を保持しながら、相対的に移動可能に構成された第１の基板及び第２の基板と、
   前記第１の基板に形成された第１の電極と、
   前記第１の電極と対向するように前記第２の基板に形成された第２の電極と、
   前記第１の基板において、前記第１の電極とは異なる領域に形成された第３の電極と、を備え、
   前記第１の電極又は前記第２の電極のいずれか一方が、電荷を保持した膜を含み、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間での重なりが最小である場合に前記第３の電極が接地状態になっており、前記第１の電極と前記第２の電極との間での重なりが最大である場合に前記第３の電極が開放状態になっている、振動発電器。
2. 前記第１の電極と前記第２の電極との間での重なり状態を検出する位置検出回路をさらに含み、
   前記位置検出回路からの出力電圧信号が、所望の閾値を超えると前記第３の電極がＧＮＤに接地される、請求項１に記載の振動発電器。
3. 前記第３の電極の状態を切り替えるスイッチング素子をさらに含み、
   前記スイッチング素子の一方は前記第３の電極に接続され、前記スイッチング素子の他方はＧＮＤに設置され、
   前記位置検出回路は、前記第２の電極に接続されている、請求項２に記載の振動発電器。
4. 前記第３の電極の状態を切り替えるスイッチング素子と、
   前記第２の基板において、前記第２の電極とは異なる領域に形成された第４の電極と、をさらに含み、
   前記スイッチング素子の一方は前記第３の電極に接続され、前記スイッチング素子の他方はＧＮＤに設置され、
   前記位置検出回路は、前記第４の電極に接続されている、請求項２に記載の振動発電器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電器と、
   前記振動発電器からの交流出力電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力された直流電圧を所望の電圧レベルに変換する電圧変換回路と、
   前記振動発電器からの出力が不要な場合、前記振動発電器によって発電された電力を蓄える蓄電回路と、
   前記電圧変換回路又は前記蓄電回路からの出力電圧を所定の電圧に制御する電圧制御回路と、
   前記電圧変換回路の出力を蓄電回路又は電圧制御回路に切り替える出力切替回路と、を備える振動発電装置。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電器と、
   前記振動発電器からの交流出力電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力された直流電圧を所望の電圧レベルに変換し、蓄電回路へ電力を出力する電圧変換回路と、
   前記蓄電回路に蓄えられた電力を出力する出力制御回路と、を備える振動発電装置。
7. 請求項５又は６に記載の振動発電装置を用いた通信装置。
8. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電器と、電池と、を有する通信装置。
9. 請求項５又は６に記載の振動発電装置を用いた電子機器。
10. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の振動発電器と、電池と、を有する電子機器。

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