WO2015129393A1 - 発電装置および圧電装置 - Google Patents

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WO2015129393A1
WO2015129393A1 PCT/JP2015/052828 JP2015052828W WO2015129393A1 WO 2015129393 A1 WO2015129393 A1 WO 2015129393A1 JP 2015052828 W JP2015052828 W JP 2015052828W WO 2015129393 A1 WO2015129393 A1 WO 2015129393A1
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WO
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electrode
piezoelectric
power generation
base material
film
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PCT/JP2015/052828
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French (fr)
Inventor
久史 石井
雄士 海野
彰裕 金澤
拓弥 桑田
Original Assignee
株式会社Ｌｉｘｉｌ
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H02N2/186—Vibration harvesters
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/88—Mounts; Supports; Enclosures; Casings

Definitions

  • the present invention relates to a power generation device and a piezoelectric device.
  • FIG. 1 is a diagram showing a power generation device 101r examined by the present inventors.
  • the power generation apparatus 101r mainly includes a glass 110 and a piezoelectric film 112 having a power generation function.
  • the piezoelectric film 112 is provided on the surface so as to cover the entire surface of the glass 110.
  • the glass 110 vibrates or deforms due to the influence of wind or the like.
  • the piezoelectric film 112 is deformed following the deformation.
  • electric power can be extracted from the electrode 114 drawn from the piezoelectric film 112.
  • the power generation device 101r in FIG. 1 should not be recognized as a publicly known technique, but has been independently examined by the present inventors.
  • the piezoelectric film 112 is expensive regardless of its formation method. Therefore, when the piezoelectric film 112 is formed on the entire surface of the glass 110 as in the power generation device 101r of FIG. 1, the power generation device 101r becomes high. In order to reduce the cost of the power generation apparatus 101r, further improvement in power generation efficiency is desired.
  • An aspect of the present invention has been made in view of such a problem, and one of the exemplary purposes is to improve the power generation efficiency of the power generation device or the piezoelectric element.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view of the electret power generator.
  • the electret power generator 310 includes a pair of an electret electrode 312 and an opposing metal electrode 314.
  • the electret electrode 312 is a substance that is charged by permanent or semi-permanent electric polarization that is caused by applying an electric field to an insulator having strong dielectric properties.
  • the same amount of induced charge of the opposite polarity as that of the electret electrode 312 is stored in the metal electrode 314 by electrostatic induction. In this state, when the overlap area of the electret electrode 312 and the metal electrode 314 changes due to vibration, an electric signal corresponding to the overlap area can be extracted to the outside.
  • the electret power generator 310 When the electret power generator 310 is installed in an environment exposed to very large vibrations or external forces, such as a moving means such as a high-rise building, a bridge pier, a car or a train, the electret power generator 310 may be subjected to a very strong impact. . At this time, if the electret electrode 312 comes into contact with the metal electrode 314, the permanent charge of the electret electrode 312 is lost, and the power generation function cannot be exhibited.
  • a moving means such as a high-rise building, a bridge pier, a car or a train
  • An aspect of the present invention has been made in view of such problems, and one of the exemplary purposes is to improve the reliability of the power generation apparatus.
  • An aspect of the present invention relates to a power generation device.
  • the power generation device includes a face member, a support member that supports the face member, a buffer member provided between the face member and the support member, and a piezoelectric film having a power generation function provided on the surface of the buffer member.
  • the buffer member When the face material vibrates or deforms due to external force, the buffer member bears and transmits all the load applied to the face material. Comparing the case in which the piezoelectric film is provided on the buffer member and the case in which the piezoelectric film is widely formed on the face material, when the same external force is applied to the same face material, the strain generated in the piezoelectric film is in the degree of compressive stress. In proportion, the former is much larger. Further, since the longitudinal elastic modulus is different between the support member and the cushioning material, the strain is further increased. Therefore, according to this aspect, the power generation efficiency can be increased. Thereby, the area of the piezoelectric film necessary for generating the same electric power can be reduced, and the power generation device can be reduced in cost. Alternatively, it is possible to increase the power generation amount when the piezoelectric film having the same area is used.
  • the piezoelectric film may be provided on the surface of the buffer member and in contact with the face material. In this case, since the force from the face material is directly transmitted to the buffer member, the power generation efficiency can be further increased.
  • the face material may be supported in a state having play with respect to the buffer member. In this case, since an impact force is applied from the face material to the piezoelectric film, the power generation efficiency can be further increased.
  • the piezoelectric film may be formed by coating on the surface of the buffer member.
  • a piezoelectric film is affixed to the buffer member, a minute gap is easily formed between them, and this gap is likely to be uneven, and this gap may cause uneven transmission of load from the face material to the piezoelectric film and reduce it.
  • the load transmission capability is improved, and the power generation efficiency can be increased.
  • the piezoelectric device generates electricity by the piezoelectric effect, continuously formed on at least one of a base material, two opposing surfaces of the base material, and four side surfaces when the two surfaces are an upper bottom surface and a lower bottom surface. And a sex membrane.
  • a side surface is corresponded to an edge part, when a base material is a thin flat plate.
  • the power generation amount can be increased by the bimorph effect by forming the power generation film widely on the upper bottom surface and the lower bottom surface.
  • the power generating film on the upper bottom surface and the lower bottom surface and the power generating film on the side surface are continuously formed, wiring for taking out an electrical signal for each surface becomes unnecessary, and a single wiring can be provided. This is enough to reduce costs.
  • the wiring length can be minimized.
  • the power-generating film may be continuously formed on two opposing surfaces of the base material and two opposing side surfaces when the two surfaces are the upper bottom surface and the lower bottom surface.
  • the power generating film may be continuously formed on the entire surface of the base material.
  • the substrate may be a conductive material.
  • the power-generating film may include a piezoelectric film formed on the base material and an electrode formed on the piezoelectric film when a direction close to the base material is a downward direction on each surface of the base material. . An electrical signal generated between the substrate and the electrode may be extracted to the outside. In this case, since the base material also functions as one of the electrode pairs, the cost can be reduced.
  • the base material may be an insulating material.
  • the power-generating film has a first electrode formed on the base material, a piezoelectric film formed on the first electrode, and piezoelectricity when the direction close to the base material is downward on each surface of the base material. And a second electrode formed on the film. An electrical signal generated between the first electrode and the second electrode may be extracted to the outside.
  • Each layer of the power generating film may be formed by painting. Thereby, a power generation film can be uniformly formed on a plurality of surfaces.
  • the film-like power generating film may be fixed to the base material with an adhesive.
  • the substrate may be a conductive material.
  • the power-generating film may include a piezoelectric film formed on the base material when the direction close to the base material is a downward direction on each surface of the base material.
  • the piezoelectric device may be used together with an external electrode provided to face a power generating film formed on at least one of an upper bottom surface and a lower bottom surface, and an electrical signal generated between the base material and the external electrode may be extracted to the outside. .
  • the substrate may be an insulating material.
  • the power-generating film includes a first electrode formed on the base material and a piezoelectric film formed on the first electrode when a direction close to the base material is a downward direction on each surface of the base material. May be included.
  • the piezoelectric device is used with an external electrode provided facing a power generating film formed on at least one of an upper bottom surface and a lower bottom surface, and an electric signal generated between the first electrode and the external electrode is taken out to the outside. Also good.
  • An aspect of the present invention relates to a power generation device.
  • the power generation device includes a laminated electret layer and a piezoelectric layer, and includes a deformable first electrode, and a second electrode including a conductive base material that is relatively movable so as to face the first electrode. Prepare.
  • the power generation efficiency can be increased.
  • the electret layer can be recharged by an electric field generated by deformation of the piezoelectric layer, and the power generation capability can be restored. . Therefore, the reliability of the power generator can be increased.
  • the power generation device is not limited to the one in which the electric power extracted from the power generation device is used in another electric circuit, and includes a simple sensor.
  • the power generation device may be configured such that the distance between the first electrode and the second electrode is variable.
  • the distance between them is fixed.
  • the electret layer and the conductive base material are in contact with each other, the electret layer can be recharged, so that the distance between the first electrode and the second electrode can be varied while allowing the possibility of contact. Power generation efficiency can be increased.
  • the power generator may be configured such that the overlap area of the first electrode and the second electrode is variable.
  • a dielectric layer may be provided between the first electrode and the second electrode.
  • a gas having a dielectric constant greater than 1 may be filled between the first electrode and the second electrode. As a result, the capacitance formed by the first electrode and the second electrode is increased, so that large electric power can be extracted.
  • power generation efficiency can be increased, and according to another aspect, reliability can be increased.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of the power generation device of FIG. 2. It is a disassembled perspective view of a power generator.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams for explaining a power generation mode of the power generation apparatus according to the first embodiment. It is a figure which shows the generated voltage of the electric power generating apparatus which concerns on 1st Embodiment.
  • FIGS. 7A and 7B are plan views showing the comparative technique used for the measurement and the power generation apparatus according to the first embodiment, respectively.
  • FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views showing a power generation device according to a modification.
  • 9A to 9C are cross-sectional views showing a power generation device according to another modification.
  • 10A and 10B are cross-sectional views showing a power generation device according to another modification.
  • FIGS. 11A to 11D are diagrams showing a power generator according to a modification. It is a perspective view of the piezoelectric device which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams showing another advantage of the piezoelectric device.
  • 1 is a cross-sectional view of a piezoelectric device according to Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a piezoelectric device according to Example 2.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of a piezoelectric device according to Example 3.
  • FIG. 17A and 17B are cross-sectional views of the piezoelectric devices according to the first and third embodiments. 6 is a cross-sectional view of a piezoelectric device according to Example 4.
  • FIG. It is sectional drawing of an electret electric power generating apparatus. It is sectional drawing of the electric power generating apparatus which concerns on 3rd Embodiment.
  • FIGS. 21A to 21C are diagrams showing first to third power generation modes of the power generation apparatus of FIG.
  • FIGS. 22A and 22B are diagrams illustrating the recharging operation of the electret layer in the power generation device.
  • the power generation apparatus is suitably used for buildings and buildings such as buildings, factories, and ordinary households, and generates power using environmental energy brought about by wind or human walking. It is. More specifically, it is used for (1) locations that receive pressure from wind, such as glass windows, outer wall panels, and roofs, and (2) locations that receive pressure from human walking, such as floors.
  • locations that receive pressure from wind such as glass windows, outer wall panels, and roofs
  • locations that receive pressure from human walking such as floors.
  • a case where it is used for a window glass will be described as an example.
  • FIG. 2 is an external perspective view of the power generation apparatus 102 according to the first embodiment.
  • the power generation device 102 includes a face material 120, a support member 122, buffer members 124 and 128, and a piezoelectric film 126.
  • the face material 120 is a glass window.
  • the support member 122 is a frame that supports the face material 120 on its four sides, and corresponds to, for example, a sash.
  • the support member 122 is attached to the opening 152 provided on the wall surface 150 of the building.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA of the power generation apparatus 102 of FIG.
  • the buffer members 124 and 128 are provided between the face material 120 and the support member 122.
  • the buffer members 124 and 128 are elastic bodies such as rubber, and can be gaskets, glazing channels, glazing beads, sealing materials, or packing depending on their functions.
  • the support member 122 includes a first portion 22a, a second portion 22b, and a connecting means 22c such as a screw or fitting for connecting them.
  • the support member 122 may be integrally formed.
  • the piezoelectric film 126 has a power generation function and is provided on the surface of the buffer member 124. More specifically, the piezoelectric film 126 is provided at the contact portion between the buffer member 124 and the face material 120 along the outer periphery of the four sides of the face material 120.
  • the structure and type of the piezoelectric film 126 are not particularly limited. Regarding the structure, any of unimorph, bimorph, laminated type and other known structures may be used. In addition, materials using organic materials and materials using ceramics can also be used.
  • FIG. 4 is an exploded perspective view of the power generation apparatus 102.
  • FIG. 4 shows the face material 120, the support member 122, the buffer member 124, and the piezoelectric film 126.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the surface of the buffer member 124 by coating.
  • the face material 120 is supported in a state having play with respect to the buffer member 124 (that is, the piezoelectric film 126).
  • the length of the clearance (gap) 128 between the face member 120 and the piezoelectric film 126 (hereinafter referred to as the gap length) is preferably about several hundred microns to several millimeters. The power generation efficiency described later, the sealing property required for the window, etc. Should be determined in consideration of
  • the above is the structure of the power generation apparatus 102. Subsequently, the power generation operation by the power generation apparatus 102 will be described.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams illustrating the power generation mode of the power generation apparatus 102 according to the first embodiment.
  • the face material 120 vibrates along the surface of the piezoelectric film 126, that is, in the in-plane direction (XZ plane) while being in contact with the piezoelectric film 126.
  • the face material 120 vibrates in the out-of-plane direction (Y direction) perpendicular to the piezoelectric film 126 while being in contact with the piezoelectric film 126.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a voltage generated by the power generation apparatus 102 according to the first embodiment.
  • B in the center of FIG. 6 shows the generated voltage of the power generation apparatus 102 according to the first embodiment.
  • the left A of FIG. 6 shows the generated voltage of the power generation apparatus 101r according to the comparison technique of FIG. C on the right in FIG. 6 shows a generated voltage of the power generation apparatus 102 according to the modification. A modification will be described later.
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are plan views showing the comparison technique used for measurement and the power generation devices 101r and 2r according to the first embodiment, respectively.
  • the experiment was performed using 50 cm ⁇ 50 cm glass as the face material 120.
  • a piezoelectric film 126 was formed on the entire glass surface.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the outer peripheral portion having a width of 1 cm on the four sides of the entire glass surface.
  • (i) shows the generated voltage when the gap length is 1 mm
  • (ii) shows the generated voltage when the gap length is 0 mm, that is, when the face material 120 and the piezoelectric film 126 are brought into close contact with each other and play is eliminated.
  • the piezoelectric film 126 is provided on the surface of the buffer member 124.
  • the force received by the piezoelectric film 126 when the same external force is applied to the face material 120 is significantly greater than when the piezoelectric film 126 is formed over the entire surface of the face material 120. Therefore, as described above, the power generation efficiency can be increased as compared with the comparative technique.
  • the manufacturing process it is easier to form the piezoelectric film 126 on the surface of the buffer member 124 than to form the piezoelectric film 126 on the entire surface of the face material 120. Therefore, the manufacturing cost is reduced or the manufacturing period is shortened. it can. From the viewpoint of maintainability, it is better to form the piezoelectric film 126 on the surface of the buffer member 124.
  • the piezoelectric film since the piezoelectric film covers the entire face material and it is difficult to form a transparent piezoelectric film, the piezoelectric film affects the appearance.
  • the piezoelectric film 126 since the piezoelectric film 126 is concealed by the support member 122 and the buffer member 124, the influence on the appearance can be reduced. This is a very important advantage in the construction industry where design is required.
  • the piezoelectric film 126 is provided on the surface of the buffer member 124 and in contact with the face material 120. Thereby, since the force from the face material 120 is directly transmitted to the buffer member 124, the power generation efficiency can be further increased. This advantage will be described again in a modified example.
  • the face material 120 is supported with play with respect to the buffer member 124. Thereby, since it can generate electric power efficiently by the electric power generation mode of FIG.5 (c), electric power generation efficiency can be raised more. If the clearance width is increased, the power generation amount in the mode of FIG. 5C increases, but the power generation amount in the modes of FIGS. 5A and 5B may decrease. Therefore, the clearance width may be optimized based on experiments or simulations according to the shape, area, material, etc. of the face material 120 and the buffer member 124. According to knowledge obtained through experiments, a clearance width of about 0.5 mm to 1 mm is suitable.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the surface of the buffer member 124 by coating.
  • a minute gap is formed between them, and this gap may reduce the transmission of load from the face material 120 to the piezoelectric film 126.
  • the integrity of the buffer member 124 and the piezoelectric film 126 is increased by applying, the load transmission efficiency can be increased and the power generation efficiency can be increased.
  • the piezoelectric film 126 is provided over the entire circumference of the face material 120 , but the present invention is not limited thereto.
  • the piezoelectric film 126 can be provided on any three sides, any two sides, or any one side.
  • FIG. 8A to 8D are cross-sectional views showing a power generation device 102 according to a modification.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the surface of the buffer member 124 on the side opposite to the face material 120.
  • C of FIG. 6 shows the generated voltage according to the modification of FIG.
  • the power generation voltage is reduced as compared with the case where the piezoelectric film 126 is provided on the contact surface of the buffer member 124 with respect to the face material 120, but still higher power generation efficiency can be realized compared to the comparative technique. I understand.
  • the piezoelectric films 126a and 26b are formed on two surfaces parallel to the face material 120 among the surface of the buffer member 124.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the side surface of the buffer member 124.
  • the piezoelectric film 126 is formed on both the bottom surface and the side surface of the piezoelectric film 126.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the entire periphery, the piezoelectric film 126 is formed on both sides, and the piezoelectric film is formed on any three surfaces. 126 formed, and the like are included in the scope of the present invention.
  • FIG. 9 (a) to 9 (c) are cross-sectional views showing a power generation apparatus 102 according to another modification.
  • the buffer member 124 of FIG. 9A is provided with regular or random protrusions on the surface, and the piezoelectric film 126 is formed thereon. Thereby, the surface area of the piezoelectric film 126 can be increased, and the power generation efficiency can be increased.
  • the buffer member 124 in FIG. 9B is formed hollow.
  • the buffer member 124 of FIG. 9C has a U-shaped cross section, and a piezoelectric film 126 is formed on one or both of the left and right sides that can be freely deformed. In these modifications, the buffer member 124 can be easily deformed, the force applied to the piezoelectric film 126 can be increased, and the power generation efficiency can be increased.
  • FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views showing a power generation apparatus 102 according to another modification.
  • the piezoelectric film 126 is formed on the surface of the buffer member 124 and in contact with the side surface S ⁇ b> 1 of the face material 120.
  • the piezoelectric film 126 is formed at a location that contacts both the flat surface S2 and the side surface S1 of the face material 120. Also by these modified examples, high power generation efficiency similar to that of the embodiment can be obtained.
  • FIGS. 11A to 11D are diagrams showing a power generation device 102 according to a modification.
  • the power generation apparatus 102 is used for a roof panel of a building.
  • the power generation apparatus 102 is used for an outer wall panel of a building.
  • the power generation apparatus 102 is used for a floor on which a human walks.
  • the power generation apparatus 102 is used for a panel of an automobile.
  • the automobile panel examples include a bonnet panel, a fender panel, and a door panel.
  • the present invention can also be applied to moving means composed of a combination of panels such as airplanes, ships, railways, wind turbine propeller blades, desks and chairs, and toilet seats on trays.
  • the power generation apparatus 102 may be used for vibration detection in addition to or instead of power generation.
  • FIG. 12 is a perspective view of the piezoelectric device 202 according to the second embodiment.
  • the piezoelectric device 202 includes a base material 220 and a power generating film 230.
  • the base material 220 is a flat face material.
  • the base material 220 may be an insulating member such as glass or resin, or may be a conductive member such as aluminum, copper, or iron.
  • base material 220 is assumed to be a flat hexahedron.
  • the power generating film 230 has a function of generating power by the piezoelectric effect. Since the principle of power generation by the power generation film 230 is known, the description thereof is omitted.
  • the power generating film 230 is formed on at least one of the two opposing surfaces S1 and S2 of the base material 220 and the four side surfaces when the two surfaces S1 and S2 are an upper bottom surface and a lower bottom surface. In the present embodiment, the power generating film 230 is formed on the two opposing side surfaces S3 and S4 in addition to the upper bottom surface S1 and the lower bottom surface S2.
  • the power generating films 230 on the four surfaces S1 to S4 are formed so as to be continuous with each other through the same manufacturing process at the same time.
  • the piezoelectric device 202 As the above is the basic configuration of the piezoelectric device 202. Next, the advantages will be described. According to the piezoelectric device 202 of FIG. 12, by forming the power generating film 230 widely on the upper bottom surface S1 and the lower bottom surface S2, the power generation amount can be increased by the bimorph effect, and the power generation efficiency can be increased.
  • FIGS. 13A and 13B are diagrams showing another advantage of the piezoelectric device 202.
  • FIG. FIG. 13A is a cross-sectional view of a piezoelectric device 202 according to the second embodiment
  • FIG. 13B is a cross-sectional view of a piezoelectric device 202r according to a comparative technique.
  • the power generating film 230 is independently formed on the upper bottom surface S1 and the lower bottom surface S2.
  • the wiring L1 drawn from the upper bottom surface S1 and the wiring L2 drawn from the lower bottom surface S2 are necessary, and the cost increases.
  • the power generating film 230 on the upper bottom surface S1 and the lower bottom surface S2 and the power generating film 230 on the side surfaces S3 and S4 are continuously formed. Wiring for extracting the signal to the outside becomes unnecessary.
  • the reliability can be increased by reducing the number of wirings to one.
  • FIGS. 13A and 13B show a case where this position P1 is located at the center of the upper bottom surface S1.
  • the wiring length can be shortened by drawing the wiring L1 from the position closest to the position P1.
  • the wiring length of the wiring L2 becomes long.
  • the piezoelectric device 202 of FIG. 13A has an advantage that the wiring length can be shortened because it is sufficient to pull out the single wiring L1 from the position closest to the position P1.
  • an electrical signal can be drawn out with a shortest wiring length with respect to an arbitrary position P1.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 202a according to the first embodiment.
  • the base material 220a is an insulating material.
  • the insulating base material 220a is exemplified by glass or resin.
  • a direction close to the base material 220 is defined as a downward direction
  • a direction away from the base material 0 is defined as an upward direction. That is, the vertical direction is different for each surface, and the vertical direction is irrelevant to the arrangement of the piezoelectric device 202 in actual use.
  • the power generating film 230 a includes a piezoelectric film 232, a first electrode 236, and a second electrode 238.
  • the first electrode 236 is formed on the base material 220a.
  • the piezoelectric film 232 is formed on the first electrode 236.
  • the second electrode 238 is formed on the piezoelectric film 232.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 202b according to the second embodiment.
  • the base material 220b is a conductive material.
  • the power generating film 230 b includes a piezoelectric film 232 and an electrode 234.
  • the piezoelectric film 232 is formed so as to be in direct contact with the base material 220b.
  • the electrode 234 is formed on the piezoelectric film 232.
  • Example 2 An electric signal E OUT generated between the conductive substrate 220b and the electrode 234 is taken out.
  • the conductive base material 220b also functions as the first electrode 236 of Example 1.
  • the first electrode 236 that is necessary in FIG. 14 is not necessary, so that the material cost and the manufacturing cost can be greatly reduced.
  • the defective portion can be minimized, the reliability can be improved.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 202c according to the third embodiment.
  • the piezoelectric device 202c is used together with external electrodes 240 and 242 provided outside thereof to exhibit a power generation function.
  • the piezoelectric device 202 c includes an insulating base material 220 c, a first electrode 236, and a piezoelectric film 232.
  • the first electrode 236 is continuously formed on the base material 220c, and the piezoelectric film 232 is continuously formed on the first electrode 236.
  • the external electrodes 240 and 242 are provided opposite to the upper bottom surface S1 and the lower bottom surface S2 of the piezoelectric device 202c and spaced apart from the piezoelectric device 202c.
  • Example 3 the external electrodes 240 and 242 correspond to the second electrode 238 in FIG. Therefore, electrical signals E OUT1 and E OUT2 generated between the first electrode 236 and the external electrode 240 and between the first electrode 236 and the external electrode 242 are taken out to the outside.
  • the piezoelectric device 202c of the third embodiment has the following advantages.
  • 17A and 17B are cross-sectional views of the piezoelectric devices according to the first and third embodiments. In order to facilitate understanding, only the upper bottom surface S1 side is shown.
  • the piezoelectric film 232 is formed. At this time, it is difficult to form the piezoelectric film 232 uniformly, and in reality, voids are generated inside the piezoelectric film 232 and the thickness is increased. A thin part occurs.
  • the second electrode 238 passes through the defect 250 and the first electrode 236. Conducted with. If the second electrode 238 and the first electrode 236 are conductive at only one location, the power generation function of the piezoelectric device 202a is lost, which is a cause of yield reduction.
  • the piezoelectric device 202a is a non-defective product, when a sharp device in use is in contact with the piezoelectric device 202a, there is a possibility that a defect 250 that causes the second electrode 238 and the first electrode 236 to be conducted later may occur. Such a problem may also occur in the piezoelectric device 202b according to the second embodiment.
  • the advantages of the piezoelectric device 202c of Example 3 will be described with reference to FIG.
  • the external electrode 240 and the piezoelectric film 232 are not in contact with each other. Therefore, even if the defect 250 penetrating the piezoelectric film 232 exists, the external electrode 240 and the first electrode 236 are not electrically connected. Therefore, the yield of the piezoelectric device 202c can be dramatically increased. In addition, it is possible to prevent the external electrode 240 and the first electrode 236 from conducting later when the piezoelectric device 202c is in use after shipment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the piezoelectric device 202d according to the fourth embodiment.
  • the piezoelectric device 202d can be said to be a combination of the piezoelectric device 202c of the third embodiment and the piezoelectric device 202b of the second embodiment.
  • the piezoelectric device 202d is used together with the external electrodes 240 and 242 provided outside thereof to exhibit a power generation function.
  • the piezoelectric device 202 d includes a conductive substrate 220 d and a piezoelectric film 232.
  • Example 4 the external electrodes 240 and 242 correspond to the electrode 234 in FIG. Therefore, electrical signals E OUT1 and E OUT2 generated between the conductive base material 220d and the external electrode 240 and between the conductive base material 220d and the external electrode 242 are taken out to the outside.
  • the advantages of both the second and third embodiments can be enjoyed.
  • the manufacturing method of the piezoelectric device 202 is not particularly limited.
  • the piezoelectric device 202 can be manufactured as follows.
  • Each of the plurality of layers forming the power generating film 230 is sequentially formed by painting.
  • Examples of the coating include spray coating, roller coating, and immersion coating.
  • a piezoelectric material may be kneaded into the surface of the conductive substrate 220.
  • a ceramic piezoelectric material it may be fired on the surface of the conductive substrate 220.
  • a film-like power generating film 230 may be formed, and may be bent and bonded to the base material 220.
  • the film-like power generating film 230 is commercially available, and it may be used.
  • the piezoelectric device 202 can be used as an alternative to the power generation device 102 of FIGS. 11 (a) to 11 (d).
  • the piezoelectric device 202 is used for a roof panel of a building.
  • the piezoelectric device 202 is used for a building outer wall panel.
  • the piezoelectric device 202 is used for a floor on which a human walks.
  • the piezoelectric apparatus 202 is utilized for the panel of a motor vehicle. Examples of the automobile panel include a bonnet panel, a fender panel, and a door panel.
  • the present invention can also be applied to moving means composed of a combination of panels such as airplanes and railways.
  • the power generating film 230 may be continuously formed on the entire surface of the base material 220. This modification is advantageous when the power generating film 230 is formed by painting. In particular, when coating is performed by dipping, the entire base material 220 may be dipped in a paint that forms each layer of the power generating film 230. Alternatively, the power generating film 230 may be formed on three or five surfaces of the base material 220.
  • Modification 2 Although the case where the power generating film 230 is formed over the entire side surfaces S3 and S4 of the base material 220 has been described in the present embodiment, the present invention is not limited thereto.
  • the power generating film 230 may be formed on the entire upper bottom surface S3, the lower bottom surface S2, and a part of the side surface S3. Modification 2 is particularly effective when the power generation efficiency at the side surface S3 is low.
  • FIG. 20 is a cross-sectional view of a power generator 320 according to the third embodiment.
  • the power generation device 320 includes a first electrode 322 and a second electrode 328.
  • the first electrode 322 includes a conductive substrate 323, an electret layer 326, and a piezoelectric layer 324.
  • the piezoelectric layer 324 and the electret layer 326 are formed on both surfaces of the conductive substrate 323, respectively. Leads for extracting signals from the conductive base material 323 are drawn out.
  • the order of stacking the electret layer 326, the conductive base material 323, and the piezoelectric layer 324 is not limited to this.
  • Examples of the material of the electret layer 326 include synthetic polymers such as acrylic resin and nylon, polyester film, polypropylene (PP), polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), and the like. However, it is not particularly limited in the present invention.
  • the material of the piezoelectric layer 324 is not particularly limited, and for example, an organic piezoelectric film or a ceramic piezoelectric film can be used. Further, the method for forming the piezoelectric layer 324 is not particularly limited. In the case of employing an organic piezoelectric film, a forming method using coating is suitable.
  • the second electrode 328 is provided in a relatively movable manner so as to face the first electrode 322.
  • the power generator 320 is configured such that the distance between the first electrode 322 and the second electrode 328 is variable. In other words, the first electrode 322 and the second electrode 328 are movable in the vertical direction.
  • the power generator 320 is configured such that the overlap area of the first electrode 322 and the second electrode 328 is variable. In other words, the first electrode 322 and the second electrode 328 are relatively movable in the horizontal direction. In this embodiment mode, a case will be described in which the first electrode 322 side is fixed and the second electrode 328 is movable in order to simplify the description and facilitate understanding.
  • FIGS. 21A to 21C are diagrams showing first to third power generation modes of the power generation apparatus 320 of FIG.
  • the first electrode 322 and the second electrode 328 are formed by the first electrode 322 and the second electrode 328, where S0 is the overlap area in the initial state where the first electrode 322 and the second electrode 328 are facing each other, and S1 is the overlap area after the displacement of the second electrode 328.
  • ⁇ C ⁇ ⁇ ⁇ S / d
  • an electrical signal corresponding to the overlap area change ⁇ S can be extracted.
  • an electrical signal is taken out by changing the inter-electrode distance d between the first electrode 322 and the second electrode 328.
  • the initial distance between the first electrode 322 and the second electrode 328 is d0 and the distance after the displacement of the second electrode 328 is d1
  • the first electrode 322 and the second electrode 328 may be displaceable in both a direction away from each other and a direction closer to each other, or may be either one.
  • FIG. 22 (a) and 22 (b) are diagrams showing the recharging operation of the electret layer in the power generation device 320.
  • FIG. FIG. 22A shows a state in which the electrification layer 326 is short-circuited with other members and the chargeability is lost.
  • FIG. 22B when the first electrode 322 is deformed, surface charges are generated in the piezoelectric layer 324 due to the piezoelectric effect. Due to this surface charge, an electric field E is applied to the electret layer 326, and electric polarization is induced again in the electret layer 326. Thereby, the electret layer 326 can be recharged.
  • the power generation function (first mode and second mode) by the interaction of the conductive base material of the electret layer 326 and the second electrode 328, and the conductive base material of the piezoelectric layer 324 and the second electrode 328. Both of the power generation functions (third mode) due to the interaction between the two can be exhibited. Thereby, the power generation amount per unit area can be increased, that is, the power generation efficiency can be increased.
  • Effect 3 in the power generation device 320, even if the electret layer 326 and the second electrode 328 are in contact with each other, the electret layer 326 can be recharged by the piezoelectric layer 324. Therefore, it is not necessary to fix the distance d between the electret electrode and the metal electrode as in the conventional electret power generation apparatus, and by actively changing the distance d, the second power generation mode, which has been impossible in the past, is possible. It is possible to generate electricity.
  • the amount of displacement of the second electrode 328 necessary for generating the same capacity change is much smaller in the second power generation mode, in other words, The capacity change when the same displacement is given is much larger in the second power generation mode. Therefore, according to the power generation device 320 of FIG. 20, it is possible to extract much larger power than the conventional power generation device that can generate power only in the first power generation mode.
  • a dielectric layer may be inserted between the first electrode 322 and the second electrode 328.
  • the dielectric constant ⁇ between the first electrode 322 and the second electrode 328 can be increased, and the amount of change ⁇ C in capacity when the same displacement occurs can be increased, thereby increasing the amount of power generation.
  • a gas having a dielectric constant ⁇ greater than 1 may be filled between the first electrode 322 and the second electrode 328.
  • a gas having a dielectric constant ⁇ greater than 1 may be filled between the first electrode 322 and the second electrode 328.
  • Modification 7 Although the case where the power generation device 320 is used for power generation has been described in the embodiment, the power generation device 320 may be used as a sensor.
  • Electret power generation device 312 ... Electret electrode, 314 ... Metal electrode, 320 ... Power generation device, 322 ... First electrode, 323 ... Conductive group Material, 324 ... Piezoelectric layer, 326 ... Electret layer, 328 ... Second electrode.
  • the present invention can be used for a power generator.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

　圧電素子を利用した発電装置１０２が提供される。発電装置１０２は、面材１２０、支持部材１２２、緩衝部材１２４、圧電膜１２６を備える。支持部材１２２は、ガラスパネルや壁面パネルなどの面材１２０を支持する。緩衝部材１２４は、面材１２０と支持部材１２２の間に設けられる。圧電膜１２６は、発電機能を有し、緩衝部材１２４の表面に設けられる。

Description

発電装置および圧電装置
　本発明は、発電装置および圧電装置に関する。
　近年の省エネ化の要請から、光、熱、振動などの再生可能エネルギー（環境エネルギーともいう）が注目されており、それらを有効利用するためのエネルギーハーベスト素子（環境発電素子とも称される）の開発が進められている。こうした環境発電素子のひとつとして、圧電素子が着目されている。
　本発明者らは、ビルや工場、一般家屋などの建造物において利用可能な、圧電素子を利用した発電装置について検討した。図１は、本発明者らが検討した発電装置１０１ｒを示す図である。発電装置１０１ｒは、主としてガラス１１０と、発電機能を有する圧電膜１１２と、を有する。圧電膜１１２は、ガラス１１０の全面を覆うようにして、その表面に設けられている。
　建造物において、ガラス１１０は、風等の影響によって振動し、あるいは変形する。ガラス１１０が変形すると、その変形に追従して圧電膜１１２が変形する。その結果、圧電膜１１２から引き出された電極１１４から、電力を取り出すことができる。なお、図１の発電装置１０１ｒを、公知技術と認定してはならず、本発明者が独自に検討したものである。
特許第４８６８４７５号公報 特開２０１３－７７６４６号公報 特開平１０－１７３４７４号公報
１．　本発明者らは、図１の発電装置１０１ｒについて検討した結果、以下の課題を認識するに至った。圧電膜１１２はその形成手法を問わずに高価である。したがって図１の発電装置１０１ｒのように、ガラス１１０の全面に圧電膜１１２を形成する場合、発電装置１０１ｒが高くなる。発電装置１０１ｒのコストを下げるためには、発電効率のさらなる改善が望まれる。
　本発明のある態様はかかる課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、発電装置あるいは圧電素子の発電効率の改善にある。
２．　また、環境発電素子のひとつとして、環境振動により発電するエレクトレット発電装置の開発が進められている。図１９は、エレクトレット発電装置の断面図である。エレクトレット発電装置３１０は、エレクトレット電極３１２と、対向する金属電極３１４のペアで構成される。エレクトレット電極３１２は、強い誘電性を有する絶縁体に電界を印加し、その結果生ずる恒久的あるいは半恒久的な電気分極により帯電が保たれる物質である。エレクトレット電極３１２と金属電極３１４が正対していると、静電誘導により金属電極３１４にエレクトレット電極３１２と同量の逆極性の誘導電荷が蓄えられる。この状態で、振動によって、エレクトレット電極３１２と金属電極３１４のオーバーラップ面積が変化すると、それに応じた電気信号を外部に取り出すことができる。
　エレクトレット発電装置３１０を広く普及させるためには、信頼性を高める必要がある。本発明者らが図１９の構造を有するエレクトレット発電装置３１０について検討したところ、以下の課題を認識するに至った。
　エレクトレット発電装置３１０を、高層ビルや橋脚、車や電車等の移動手段など、非常に大きな振動や外力にさらされる環境に設置した場合、エレクトレット発電装置３１０に非常に強い衝撃が加わる可能性がある。このときに、エレクトレット電極３１２が金属電極３１４と接触すると、エレクトレット電極３１２の恒久的な電荷が失われ、発電機能が発揮できなくなる。
　本発明のある態様は係る課題に鑑みてなされたものであり、その例示的な目的のひとつは、発電装置の信頼性の改善にある。
１．　本発明のある態様は、発電装置に関する。発電装置は、面材と、面材を支持する支持部材と、面材と支持部材の間に設けられる緩衝部材と、緩衝部材の表面に設けられた発電機能を有する圧電膜と、を備える。
　面材が外力により振動し、あるいは変形すると、緩衝部材は面材に作用した荷重すべてを負担し伝達する。圧電膜を緩衝部材に設けた場合と、圧電膜を面材に広く形成した場合とを比較すると、同一の面材に同一の外力を与えたときに、圧電膜に生じるひずみは圧縮応力度に比例し、前者の方が格段に大きくなる。また、支持部材と緩衝材は縦弾性係数が異なるため、さらにひずみが大きくなる。したがってこの態様によれば、発電効率を高めることができる。これにより、同じ電力を発生させるために必要な圧電膜の面積を小さくでき、発電装置を低コスト化できる。あるいは、同じ面積の圧電膜を用いた場合の発電量を増大できる。
　圧電膜は、緩衝部材の表面であって面材との接触部分に設けられてもよい。
　この場合、面材からの力が、緩衝部材に直接伝達することとなるため、発電効率をより高めることができる。
　面材は、緩衝部材に対して遊びをもった状態で支持されてもよい。
　この場合、面材から圧電膜に対して衝撃力が加えられることとなるため、発電効率をより高めることができる。
　圧電膜は、緩衝部材の表面に塗布により形成されてもよい。
　緩衝部材に圧電膜を貼り付ける場合、それらの間には、微少な間隙が生じムラとなりやすく、この間隙が面材から圧電膜への荷重伝達を不均一にし減少させるおそれがある。これに対して、塗布することで、緩衝部材と圧電膜の一体性が高まることで荷重伝達能力が向上され、発電効率を高めることができる。
２．　本発明のある態様は、圧電装置に関する。圧電装置は、基材と、基材の対向する２面、ならびに、当該２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、を備える。なお、側面は、基材が薄い平板である場合には、エッジ部分に相当する。
　この態様によると、上底面、下底面に広く発電性膜を形成することにより、バイモルフ効果によって発電量を増大させることができる。加えて、上底面と下底面の発電性膜および側面の発電性膜は連続して形成されるため、面ごとに電気信号を外部に取り出すための配線が不要となり、単一の配線を設ければ足りるため、コストを削減できる。加えて、単一の配線は、発電性膜のいずれの箇所からでも引き出すことができるため、配線長を最短化できる。
　発電性膜は、基材の対向する２面、ならびに２面を上底面、下底面としたときの対向する２側面に連続して形成されてもよい。
　発電性膜は、基材の全面に連続して形成されてもよい。
　基材は導電性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される圧電性膜と、圧電性膜上に形成される電極と、を含んでもよい。基材および電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。
　この場合、基材が電極対の一方の機能を兼ねるため、コストを削減できる。
　基材は絶縁性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される第１電極と、第１電極上に形成される圧電性膜と、圧電性膜上に形成される第２電極と、を含んでもよい。第１電極および第２電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。
　発電性膜の各層は、塗装により形成されてもよい。これにより、複数の面に対して、発電性膜を均一に形成することができる。
　フィルム状の発電性膜は、基材に接着剤により固着されてもよい。
　ある態様において、基材は導電性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される圧電性膜を含んでもよい。圧電装置は、上底面および下底面の少なくとも一方形成される発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、基材と外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。
　ある態様において、基材は絶縁性材料であってもよい。発電性膜は、基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、基材上に形成される第１電極と、第１電極上に形成される圧電性膜と、を含んでもよい。圧電装置は、上底面および下底面の少なくとも一方に形成される発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、第１電極と外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されてもよい。
３．　本発明のある態様は、発電装置に関する。発電装置は、積層されたエレクトレット層および圧電層を含み、変形可能な第１電極と、第１電極と対向して相対的に可動に設けられた導電性基材を含む第２電極と、を備える。
　この態様によると、エレクトレット層と導電性基材の相互作用による発電機能と、圧電層と導電性基材の相互作用による発電機能の両方が発揮されうるため、発電効率を高めることができる。加えて、エレクトレット層と他の部材とのショートによってエレクトレット層の帯電が失われたとしても、その後、圧電層の変形により発生する電界によってエレクトレット層を再チャージし、発電能力を回復させることができる。したがって発電装置の信頼性を高めることができる。なお本明細書において発電装置とは、それから取り出された電力が他の電気回路において利用されるものに限定されず、単なるセンサも含まれる。
　ある態様において発電装置は、第１電極および第２電極の間隔が可変に構成されてもよい。
　従来のエレクトレット発電装置では、エレクトレット電極と金属電極の接触による故障を防ぐため、それらの間隔は固定されていた。これに対して、本発明では、エレクトレット層と導電性基材が接触したとしても、エレクトレット層の再チャージ可能であるため、接触のおそれを許容しつつ第１電極と第２電極の間隔を可変にすることができ、発電効率を高めることができる。
　ある態様において発電装置は、第１電極と第２電極のオーバーラップ面積が可変に構成されてもよい。
　第１電極と第２電極の間には、誘電体層が設けられてもよい。第１電極と第２電極の間には、誘電率が１より大きいガスが充填されてもよい。
　これらにより、第１電極と第２電極が形成する容量が大きくなるため、大きな電力を取り出すことが可能となる。
　なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。
　本発明のある態様によれば、発電効率を高めることができ、また別の態様によれば、信頼性を高めることができる。
本発明者らが検討した発電装置を示す図である。 第１の実施の形態に係る発電装置の外観斜視図である。 図２の発電装置のＡ－Ａ線断面図である。 発電装置の分解斜視図である。 図５（ａ）～（ｃ）は、第１の実施の形態に係る発電装置の発電モードを説明する図である。 第１の実施の形態に係る発電装置の発生電圧を示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、測定に用いた比較技術、第１の実施の形態に係る発電装置を示す平面図である。 図８（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る発電装置を示す断面図である。 図９（ａ）～（ｃ）は、別の変形例に係る発電装置を示す断面図である。 図１０（ａ）、（ｂ）は、別の変形例に係る発電装置を示す断面図である。 図１１（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る発電装置を示す図である。 第２の実施の形態に係る圧電装置の斜視図である。 図１３（ａ）、（ｂ）は、圧電装置の利点の別のひとつを示す図である。 実施例１に係る圧電装置の断面図である。 実施例２に係る圧電装置の断面図である。 実施例３に係る圧電装置の断面図である。 図１７（ａ）、（ｂ）は、実施例１および実施例３に係る圧電装置の断面図である。 実施例４に係る圧電装置の断面図である。 エレクトレット発電装置の断面図である。 第３の実施の形態に係る発電装置の断面図である。 図２１（ａ）～（ｃ）は、図２０の発電装置の第１～第３の発電モードを示す図である。 図２２（ａ）、（ｂ）は、発電装置におけるエレクトレット層の再チャージ動作を示す図である。
　以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
（第１の実施の形態）
　第１の実施の形態に係る発電装置は、ビル、工場、一般家庭などの建造物、建築物に好適に利用され、風や人間の歩行などによってもたらされる環境エネルギーを利用して発電を行うものである。より具体的は、（１）ガラス窓、外壁パネル、屋根などの、風などによる圧力を受ける箇所、（２）床などの、人間の歩行による圧力を受ける箇所などに利用される。本実施の形態では、窓ガラスに利用した場合を例に説明する。
　図２は、第１の実施の形態に係る発電装置１０２の外観斜視図である。
　発電装置１０２は、面材１２０、支持部材１２２、緩衝部材１２４、１２８、圧電膜１２６を備える。図２には、面材１２０および支持部材１２２のみが現れている。面材１２０はガラス窓である。支持部材１２２は、面材１２０をその４辺において支持するフレームであり、たとえばサッシに相当する。支持部材１２２は、建造物の壁面１５０に設けられた開口部１５２に取り付けられる。
　図３は、図２の発電装置１０２のＡ－Ａ線断面図である。緩衝部材１２４、１２８は、面材１２０と支持部材１２２の間に設けられる。緩衝部材１２４および１２８はゴムなどの弾性体であり、その機能に応じて、ガスケット、グレイジングチャネル、グレイジングビード、シーリング材あるいはパッキンでありえる。
　支持部材１２２は、第１部分２２ａ、第２部分２２ｂおよびそれらを連結するねじや嵌合などの連結手段２２ｃを含む。支持部材１２２は一体に構成されてもよい。
　圧電膜１２６は、発電機能を有しており、緩衝部材１２４の表面に設けられる。より具体的には圧電膜１２６は、面材１２０の４辺の外周に沿って、緩衝部材１２４と面材１２０の接触部分に設けられる。圧電膜１２６の構造や種類は特に限定されるものではない。構造に関して、ユニモルフ、バイモルフ、積層型そのた公知の構造のいずれであってもよい。またその材料も、有機系材料を用いたもの、セラミックスを用いたもの等が利用可能である。
　図４は、発電装置１０２の分解斜視図である。図４には、面材１２０、支持部材１２２、緩衝部材１２４、圧電膜１２６が示される。圧電膜１２６は、緩衝部材１２４の表面に、塗布により形成される。
　面材１２０は、緩衝部材１２４（すなわち圧電膜１２６）に対して遊びをもった状態で支持される。面材１２０と圧電膜１２６のクリアランス（間隙）１２８の長さ（以下、ギャップ長と称する）は、数百ミクロン～数ミリメートル程度が好ましく、後述する発電効率と、窓に要求される密閉性等を考慮して定めればよい。
　以上が発電装置１０２の構造である。続いて、発電装置１０２による発電動作を説明する。
　面材１２０に風が当たったり、振動すると、面材１２０は、その支持端部において圧電膜１２６に力を及ぼす。この力により圧電膜１２６が変形すると圧電膜１２６が発電し、電極１３０から電力を取り出すことができる。発電装置１０２はいくつかの異なるモードで発電する。
　図５（ａ）～（ｃ）は、第１の実施の形態に係る発電装置１０２の発電モードを説明する図である。図５（ａ）のモードでは、面材１２０は、圧電膜１２６に接触した状態で、圧電膜１２６の表面に沿って、つまり面内方向（ＸＺ平面）で振動する。図５（ｂ）のモードでは、面材１２０は、圧電膜１２６に接触した状態で、圧電膜１２６と垂直な面外方向（Ｙ方向）に振動するモードである。
　さらに、圧電膜１２６と面材１２０の間にクリアランス１２８を設けているため、図５（ｃ）に示すように、面材１２０が、圧電膜１２６に対して衝突するモードも存在する。
　図６は、第１の実施の形態に係る発電装置１０２の発生電圧を示す図である。図６の中央のＢが、第１の実施の形態に係る発電装置１０２の発生電圧を示す。比較のために、図６の左のＡには、図１の比較技術に係る発電装置１０１ｒの発生電圧を示す。図６の右のＣは変形例に係る発電装置１０２の発生電圧を示す。変形例については後述する。
　図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、測定に用いた比較技術、第１の実施の形態に係る発電装置１０１ｒ、２ｒを示す平面図である。実験は、面材１２０として５０ｃｍ×５０ｃｍのガラスを用いて行った。比較技術においては、図７（ａ）に示すように、ガラス全面に圧電膜１２６を形成した。本実施の形態においては、図７（ｂ）に示すように、ガラス全面の４辺の幅１ｃｍの外周部に、圧電膜１２６を形成した。
　つまり比較技術における有効発電面積は５０ｃｍ×５０ｃｍ＝２５００ｃｍ２であり、本実施の形態における有効発電面積は、１ｃｍ×（５０－１）ｃｍ×４＝１９６ｃｍ２である。
　図６に戻る。図６のＢに関して、（i）はギャップ長を１ｍｍとしたとき、（ii）はギャップ長を０ｍｍつまり面材１２０と圧電膜１２６を密着させ、遊びを無くしたときの発電電圧を示す。
　比較技術Ａでは、１２８０ｍＶ（ｐ－ｐ：ピークトゥピーク）の発生電圧が得られる。これに対して、実施の形態Ｂでは、ギャップ長を１ｍｍとした状態（i）において、１０８０ｍＶ（ｐ－ｐ）と、比較技術Ａと遜色のない発生電圧が得られることがわかる。実施の形態では比較技術と比べて有効発電面積が８％しかないにもかかわらず、同等の発電電圧が得られることから、発電効率（＝発電電圧／有効発電面積）としては、１０倍程度高められていることがわかる。
　実施の形態Ｂのギャップ長を０ｍｍとした状態（ii）においては、４００ｍＶ（ｐ－ｐ）の発電電圧が得られており、この値はギャップ長を１ｍｍとした状態（ii）の３８％である。これは、ギャップ長をゼロとすると、図５（ｃ）に示す衝突を利用した発電モードが無効となることに起因するものと理解される。しかしながら、実施の形態Ｂのギャップ長を０ｍｍとした状態であっても、発電効率としては、比較技術Ａの４倍程度と高い値を得ることができる。
　以上が発電装置１０２の動作である。続いて、発電装置１０２によって奏される効果を説明する。
　本実施の形態に係る発電装置１０２では、圧電膜１２６を緩衝部材１２４の表面に設けることとした。これにより、面材１２０に同じ外力を与えたときに圧電膜１２６が受ける力は、面材１２０の全面にわたり圧電膜１２６を形成したときと比べて格段に大きくなる。したがって、上述のように、比較技術と比べて発電効率を高めることができる。
　このことは、同じ電力を発生させるために必要な圧電膜の面積を小さくでき、発電装置を低コスト化できることを意味する。あるいは、同じ面積の圧電膜を用いた場合の発電量を増大できる。
　また製造工程においては、緩衝部材１２４の表面に圧電膜１２６を形成する方が、面材１２０全面に圧電膜１２６を形成するよりも容易であることから、製造コストを下げ、あるいは製造期間を短縮できる。また、メンテナンス性の観点でも、緩衝部材１２４の表面に圧電膜１２６を形成する方が優れている。
　また、図１の比較技術では、圧電膜が面材全体を覆っており、透明な圧電膜を形成することは困難であることから、圧電膜が外観に影響を及ぼすのに対して、実施の形態では、圧電膜１２６は、支持部材１２２や緩衝部材１２４により隠蔽されるため、外観に及ぼす影響を低減できる。これは、デザイン性が要求される建築業界において極めて重要な利点である。
　また、圧電膜１２６を、緩衝部材１２４の表面であって面材１２０との接触部分に設けることした。これにより、面材１２０からの力が、緩衝部材１２４に直接伝達することとなるため、発電効率をより高めることができる。この利点は、変形例で改めて説明する。
　さらに面材１２０を、緩衝部材１２４に対して遊びをもった状態で支持することとした。これにより図５（ｃ）の発電モードによって効率よく発電できるため、発電効率をより高めることができる。クリアランス幅を長くとれば、図５（ｃ）のモードでの発電量は増大するが、図５（ａ）、（ｂ）のモードでの発電量は減少する可能性がある。したがって、クリアランス幅は、面材１２０および緩衝部材１２４それぞれの形状、面積、材質などに応じて、実験あるいはシミュレーションにもとづいて最適化すればよい。実験により得られた知見によれば、０．５ｍｍ～１ｍｍ程度のクリアランス幅が好適である。
　さらに実施の形態では、圧電膜１２６を、緩衝部材１２４の表面に塗布により形成した。緩衝部材１２４に圧電膜１２６を貼り付ける場合、それらの間には、微少な間隙が生じ、この間隙が面材１２０から圧電膜１２６への荷重の伝達を減少させるおそれがある。これに対して、塗布することで、緩衝部材１２４と圧電膜１２６の一体性が高まるため、荷重の伝達効率を高め、発電効率を高めることができる。
　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
　実施の形態では、面材１２０の全周にわたり圧電膜１２６を設ける場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。圧電膜１２６は、任意の３辺、任意の２辺、任意の１辺に設けることができる。
　図８（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る発電装置１０２を示す断面図である。
　図８（ａ）の変形例では、圧電膜１２６が、緩衝部材１２４の表面であって、面材１２０とは反対側の面に形成される。図６のＣは、図８（ａ）の変形例による発電電圧を示す。この変形例では、緩衝部材１２４の面材１２０に対する接触面に圧電膜１２６を設けた場合に比べて発電電圧（発電効率）は低下するが、比較技術と比べれば、依然として高い発電効率が実現できることがわかる。
　図８（ｂ）の変形例では、緩衝部材１２４の表面のうち、面材１２０と平行な二面に、圧電膜１２６ａ、２６ｂが形成される。図８（ｃ）の変形例では、緩衝部材１２４の側面に圧電膜１２６が形成される。図８（ｄ）の変形例では、圧電膜１２６の底面および側面の両方に圧電膜１２６が形成される。当業者によれば、図８（ａ）～（ｄ）に示した以外にも、全周囲に圧電膜１２６を形成したもの、両側面に圧電膜１２６を形成したもの、任意の三面に圧電膜１２６を形成したものなどが存在し、これらも本発明の範囲に含まれる。
　図９（ａ）～（ｃ）は、別の変形例に係る発電装置１０２を示す断面図である。図９（ａ）の緩衝部材１２４は、その表面に規則的な、あるいはランダムな突起が設けられ、その上に圧電膜１２６が形成される。これにより圧電膜１２６の表面積を増大させることができ、発電効率を高めることができる。
　図９（ｂ）の緩衝部材１２４は中空に形成される。図９（ｃ）の緩衝部材１２４は、断面がコの字形状を有し、変形自在な左右の２辺の一方、あるいは両方に、圧電膜１２６が形成される。これらの変形例では、緩衝部材１２４が変形容易となって、圧電膜１２６に加わる力を増大させることができ、発電効率を高めることができる。
　実施の形態では、圧電膜１２６が、面材１２０の平面と接触する場合を説明したが本発明はそれには限定されない。図１０（ａ）、（ｂ）は、別の変形例に係る発電装置１０２を示す断面図である。図１０（ａ）の変形例では、圧電膜１２６が、緩衝部材１２４の表面であって、面材１２０の側面Ｓ１と接触する面に形成される。図１０（ｂ）の変形例では、圧電膜１２６は、面材１２０の平面Ｓ２と側面Ｓ１の両方と接触する箇所に形成される。これらの変形例によっても、実施の形態と同様の高い発電効率を得ることができる。
　最後に、発電装置１０２の用途に関する変形例を説明する。実施の形態では、発電装置１０２を窓に取り付ける場合を説明したが、本発明はそれに限定されない。
　図１１（ａ）～（ｄ）は、変形例に係る発電装置１０２を示す図である。図１１（ａ）の変形例では、発電装置１０２は建物の屋根のパネルに利用される。図１１（ｂ）の変形例では、発電装置１０２は建物の外壁パネルに利用される。図１１（ｃ）の変形例では、発電装置１０２は人間が歩行する床に利用される。図１１（ｄ）の変形例では、発電装置１０２は、自動車のパネルに利用される。自動車のパネルとは、ボンネットパネル、フェンダーパネル、ドアパネルなどが例示される。自動車以外にも、飛行機、船舶、鉄道、風力発電のプロペラの羽根、机やいす、トレイの便座など、パネルの組み合わせで構成される移動手段にも適用可能である。
　また発電装置１０２の用途に関し、発電に加えてあるいはそれに代えて、振動の検知に利用してもよい。
（第２の実施の形態）
　図１２は、第２の実施の形態に係る圧電装置２０２の斜視図である。圧電装置２０２は、基材２２０および発電性膜２３０を備える。基材２２０は、平坦な面材である。後述のように、基材２２０は、ガラスや樹脂などの絶縁性部材であってもよいし、アルミニウムや銅、鉄などの導電性部材であってもよい。本実施の形態では、基材２２０は、平坦な６面体であるものとする。
　発電性膜２３０は、圧電効果により発電する機能を有している。発電性膜２３０が発電する原理は公知であるため、説明を省略する。発電性膜２３０は、基材２２０の対向する２面Ｓ１、Ｓ２、ならびに２面Ｓ１、Ｓ２を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに形成される。本実施の形態では、発電性膜２３０は、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２に加えて、対向する２つの側面Ｓ３、Ｓ４に形成される。４つの面Ｓ１～Ｓ４の発電性膜２３０は、同時に同じ製造工程を経て、互いに連続するように形成される。
　以上が圧電装置２０２の基本構成である。続いてその利点を説明する。
　図１２の圧電装置２０２によれば、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２に広く発電性膜２３０を形成することにより、バイモルフ効果によって発電量を増大させることができ、発電効率を高めることができる。
　図１３（ａ）、（ｂ）は、圧電装置２０２の利点の別のひとつを示す図である。図１３（ａ）は、第２の実施の形態に係る圧電装置２０２の断面図であり、図１３（ｂ）は比較技術に係る圧電装置２０２ｒの断面図である。
　図１３（ｂ）の圧電装置２０２ｒでは、発電性膜２３０は、上底面Ｓ１および下底面Ｓ２に、独立して形成されている。この場合、上底面Ｓ１から引き出される配線Ｌ１と、下底面Ｓ２から引き出される配線Ｌ２が必要となり、コストが高くなる。これに対して図１３（ａ）の圧電装置２０２では、上底面Ｓ１と下底面Ｓ２の発電性膜２３０および側面Ｓ３、Ｓ４の発電性膜２３０は連続して形成されるため、面ごとに電気信号を外部に取り出すための配線が不要となる。言い換えれば、図１２の圧電装置２０２によれば、複数の面に共通した単一の配線Ｌ１を設ければ足りるため、コストを削減できる。また配線の数が多いと、それだけ断線不良などの確率が高まり、信頼性が低下するところ、配線を１本に減らすことで、信頼性を高めることができる。
　加えて、共通の単一の配線は、発電性膜のいずれの箇所からでも引き出すことができるため、配線長を最短化できる。圧電装置２０２を使用する際には、発電性膜２３０が発生した電気信号を外部の所定の位置Ｐ１に引き回す必要がある。図１３（ａ）、（ｂ）には、この位置Ｐ１が、上底面Ｓ１の中央に位置する場合が示される。
　図１３（ｂ）を参照すると、上底面Ｓ１の配線Ｌ１については、位置Ｐ１の直近から配線Ｌ１を引き出すことで、配線長を短くできる。しかしながら、下底面Ｓ２の配線Ｌ２については、配線Ｌ２の配線長は長くなってしまう。これに対して図１３（ａ）の圧電装置２０２では、位置Ｐ１の直近から単一の配線Ｌ１を引き出せば足りるため、配線長を短くできるという利点もある。言い換えれば、本実施の形態に係る圧電装置２０２によれば、任意の位置Ｐ１に対して、最短の配線長で、電気信号を引き出すことができる。
　以上が圧電装置２０２の利点である。続いて、圧電装置２０２の具体的な構造について、いくつかの実施例を参照して説明する。
（実施例１）
　図１４は、実施例１に係る圧電装置２０２ａの断面図である。圧電装置２０２ａにおいて、基材２２０ａは絶縁性材料である。たとえば絶縁性基材２２０ａは、ガラスや樹脂が例示される。以下便宜的に、基材２２０の各面において、基材２２０に近い方向を下方向、基材０から遠ざかる方向を上方向とする。つまり面ごとに上下方向は異なっており、また上下は、圧電装置２０２の実使用時の配置とは無関係である。
　発電性膜２３０ａは、圧電性膜２３２、第１電極２３６、第２電極２３８を備える。第１電極２３６は、基材２２０ａ上に形成される。圧電性膜２３２は、第１電極２３６上に形成される。第２電極２３８は、圧電性膜２３２上に形成される。
　圧電性膜２３２が外部から圧力を受けて変形すると、第１電極２３６と第２電極２３８の間に電気信号ＥＯＵＴが発生する。図１４に示される＋、－は、ある時刻における電荷分布を示すが、電気信号ＥＯＵＴは交流信号であるため、＋と－は時々刻々と変化する。第１電極２３６および第２電極２３８の間に生ずる電気信号ＥＯＵＴが外部に取り出される。
（実施例２）
　図１５は、実施例２に係る圧電装置２０２ｂの断面図である。圧電装置２０２ｂにおいて、基材２２０ｂは導電性材料である。発電性膜２３０ｂは、圧電性膜２３２および電極２３４を備える。圧電性膜２３２は、基材２２０ｂ上に直接的に接するように形成される。電極２３４は、圧電性膜２３２上に形成される。
　導電性基材２２０ｂおよび電極２３４の間に生ずる電気信号ＥＯＵＴが外部に取り出される。実施例２では、導電性基材２２０ｂが、実施例１の第１電極２３６の機能を兼ねていると言える。
　実施例２によれば、図１４において必要であった第１電極２３６が不要となるため、材料コストおよび製造コストを大幅に削減できる。また、不良箇所を極小化できるため、信頼性向上にもつながる。
（実施例３）
　図１６は、実施例３に係る圧電装置２０２ｃの断面図である。圧電装置２０２ｃは、その外部に設けられた外部電極２４０、２４２とともに使用されて発電機能を発揮する。圧電装置２０２ｃは、絶縁性基材２２０ｃ、第１電極２３６、圧電性膜２３２を備える。
　第１電極２３６は、基材２２０ｃの上に連続的に形成され、圧電性膜２３２は第１電極２３６の上に連続的に形成される。外部電極２４０および２４２は、圧電装置２０２ｃの上底面Ｓ１、下底面Ｓ２それぞれと対向して、圧電装置２０２ｃと離間して設けられる。
　つまり実施例３では、外部電極２４０および２４２は、図１４の第２電極２３８に相当する。したがって第１電極２３６と外部電極２４０の間、第１電極２３６と外部電極２４２の間それぞれに生ずる電気信号ＥＯＵＴ１、ＥＯＵＴ２が外部に取り出される。
　実施例１の図１４の第２電極２３８、実施例２の図１５の電極２３４を、均一な厚みで形成するのは容易ではない。実施例３の圧電装置２０２ｃによれば、表面の電極を形成する工程が不要となるため、製造コストを下げることができる。
　また実施例３の圧電装置２０２ｃは以下の利点を有する。図１７（ａ）、（ｂ）は、実施例１および実施例３に係る圧電装置の断面図である。理解の容易化のために、上底面Ｓ１側のみを示す。
　図１７（ａ）を参照する。第１電極２３６を形成した後に、圧電性膜２３２が形成されるが、この際に、圧電性膜２３２を均一に形成することは困難であり、実際にはその内部にボイドが生じたり、厚みが薄い箇所が発生する。
　圧電性膜２３２を深さ方向に完全に貫通する欠陥２５０が存在すると、圧電性膜２３２の上に第２電極２３８を形成する際に、第２電極２３８が欠陥２５０を介して第１電極２３６と導通する。第２電極２３８と第１電極２３６がわずか１箇所でも導通すると、圧電装置２０２ａの発電機能が失われるため、歩留まり低下の要因となっている。
　あるいは、良品の圧電装置２０２ａであっても、使用状態において鋭利なものが圧電装置２０２ａに接触すると、後発的に、第２電極２３８と第１電極２３６を導通させる欠陥２５０が生ずるおそれがある。かかる問題は、実施例２の圧電装置２０２ｂにおいても生じうる。
　図１７（ｂ）を参照して、実施例３の圧電装置２０２ｃの利点を説明する。圧電装置２０２ｃは、外部電極２４０と圧電性膜２３２とが非接触である。したがって、仮に圧電性膜２３２を貫通する欠陥２５０が存在していたとしても、外部電極２４０と第１電極２３６の間が導通することはない。したがって圧電装置２０２ｃの歩留まりを飛躍的に高めることができる。また圧電装置２０２ｃの出荷後の使用状態において、後発的に外部電極２４０と第１電極２３６が導通するのも防ぐことができる。
（実施例４）
　図１８は、実施例４に係る圧電装置２０２ｄの断面図である。圧電装置２０２ｄは、実施例３の圧電装置２０２ｃと、実施例２の圧電装置２０２ｂの組み合わせであると言え、その外部に設けられた外部電極２４０、２４２とともに使用されて発電機能を発揮する。圧電装置２０２ｄは、導電性基材２２０ｄおよび圧電性膜２３２を備える。
　つまり実施例４では、外部電極２４０および２４２は、図１５の電極２３４に相当する。したがって導電性基材２２０ｄと外部電極２４０の間、導電性基材２２０ｄと外部電極２４２の間それぞれに生ずる電気信号ＥＯＵＴ１、ＥＯＵＴ２が外部に取り出される。
　実施例４に係る圧電装置２０２ｄによれば、実施例２および実施例３双方の利点を享受できる。
　圧電装置２０２の製造方法は特に限定されないが、たとえば圧電装置２０２は以下のように製造することができる。
（第１の製造方法）
　発電性膜２３０を形成する複数の層はそれぞれ、塗装により順に形成される。塗装は、スプレーによる塗装、ローラーによる塗装、浸漬による塗装などが例示される。
（第２の製造方法）
　実施例２、４の圧電装置２０２については、圧電性の材料を、導電性の基材２２０の表面に練り込んでもよい。セラミック系の圧電性材料を用いる場合、導電性の基材２２０の表面で焼成してもよい。
（第３の製造方法）
　フィルム状の発電性膜２３０を形成しておき、それを折り曲げて基材２２０に接着してもよい。フィルム状の発電性膜２３０は市販されており、それを用いてもよい。
　最後に、圧電装置２０２の用途を説明する。圧電装置２０２は、図１１（ａ）～（ｄ）の発電装置１０２の代替として使用可能である。たとえば図１１（ａ）では、圧電装置２０２は建物の屋根のパネルに利用される。図１１（ｂ）では、圧電装置２０２は建物の外壁パネルに利用される。図１１（ｃ）では、圧電装置２０２は人間が歩行する床に利用される。図１１（ｄ）では、圧電装置２０２は、自動車のパネルに利用される。自動車のパネルとは、ボンネットパネル、フェンダーパネル、ドアパネルなどが例示される。自動車以外にも、飛行機、鉄道など、パネルの組み合わせで構成される移動手段にも適用可能である。
　続いて第２の実施の形態の変形例を説明する。
（変形例１）
　本実施の形態では、発電性膜２３０が基材２２０の４面に形成される場合を説明したが、発電性膜２３０を基材２２０の全面に連続して形成してもよい。この変形例は、塗装により発電性膜２３０を形成する場合に有利である。特に、浸漬による塗装を行う場合、発電性膜２３０の各層を形成する塗料に、基材２２０全体を浸せばよい。
　あるいは、発電性膜２３０は、基材２２０の３面あるいは５面に形成されてもよい。
（変形例２）
　本実施の形態では、基材２２０の側面Ｓ３、Ｓ４全体にわたり、発電性膜２３０が形成される場合を説明したが、本発明はそれには限定されない。発電性膜２３０は、上底面Ｓ３、下底面Ｓ２の全体および側面Ｓ３の一部に形成されてもよい。側面Ｓ３での発電効率が低い場合には、変形例２は特に有効である。
（変形例３）
　図１６、図１８では、上底面Ｓ１、下底面Ｓ２両方に対向するように、外部電極２４０、２４２を設ける場合を説明したが、外部電極は一方のみとしてもよい。
（変形例４）
　本実施の形態では、圧電装置２０２を発電用途に使用する場合を説明したが、圧電装置２０２をセンサとして用いてもよい。
（第３の実施の形態）
　図２０は、第３の実施の形態に係る発電装置３２０の断面図である。発電装置３２０は、第１電極３２２および第２電極３２８を備える。
　第１電極３２２は、導電性基材３２３、エレクトレット層３２６および圧電層３２４を含む。圧電層３２４およびエレクトレット層３２６は、導電性基材３２３の両面にそれぞれ形成される。この導電性基材３２３から信号を取り出すためのリードが引き出されている。ただし本発明において、エレクトレット層３２６、導電性基材３２３、圧電層３２４の積層の順序はこれには限定されない。
　エレクトレット層３２６の材料としてはたとえば、アクリル樹脂やナイロンなどの合成ポリマー、ポリエステルフィルム、ポリプロピレン（ＰＰ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン－ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などが例示されるが、本発明において特に限定されない。
　また圧電層３２４の材料は特に限定されず、たとえば有機系の圧電膜やセラミック系の圧電膜を用いることができる。また圧電層３２４の形成方法も特に限定されない。有機系の圧電膜を採用する場合、塗装を利用した形成方法が好適である。
　第２電極３２８は、第１電極３２２と対向して相対的に可動な態様で設けられる。
　具体的には、発電装置３２０は、第１電極３２２および第２電極３２８の間隔が可変に構成される。言い換えれば、第１電極３２２と第２電極３２８は、垂直方向に可動となっている。加えて発電装置３２０は、第１電極３２２と第２電極３２８のオーバーラップ面積が可変に構成される。言い換えれば、第１電極３２２と第２電極３２８は水平方向に相対的に可動となっている。本実施の形態では、説明の簡潔化、理解の容易化のため、第１電極３２２側が固定され、第２電極３２８が可動である場合を説明する。
　以上が発電装置３２０の構成である。続いてその動作を説明する。
　はじめに、発電装置３２０の発電動作を説明する。発電装置３２０は、異なる複数のモードによって発電可能である。
　図２１（ａ）～（ｃ）は、図２０の発電装置３２０の第１～第３の発電モードを示す図である。
　図２１（ａ）に示す第１の発電モードでは、第１電極３２２と第２電極３２８のオーバーラップ面積Ｓが変化することにより電気信号が取り出される。第１電極３２２と第２電極３２８のギャップの距離をｄ、ギャップの誘電率をεとするとき、第１電極３２２と第２電極３２８が形成するキャパシタの容量Ｃは、以下の式で与えられる。
　Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ
　第１電極３２２と第２電極３２８が正対した初期状態でのオーバーラップ面積をＳ０、第２電極３２８の変位後のオーバーラップ面積をＳ１とすると、第１電極３２２と第２電極３２８により形成されるキャパシタの容量値の変化量ΔＣは、ΔＳ＝Ｓ１－Ｓ０として、以下の式で与えられる。
　ΔＣ＝ε×ΔＳ／ｄ
　キャパシタの容量Ｃ、電極間電圧Ｖ、蓄積電荷量Ｑには、
　Ｖ＝Ｑ／Ｃ
の関係が成り立つ。したがって第１の発電モードでは、オーバーラップ面積の変化ΔＳに応じた電気信号を取り出すことができる。
　図２１（ｂ）に示す第２の発電モードでは、第１電極３２２と第２電極３２８の電極間距離ｄが変化することにより電気信号が取り出される。第１電極３２２と第２電極３２８の初期状態の距離をｄ０、第２電極３２８の変位後の距離をｄ１とすると、キャパシタの容量値の変化量ΔＣは、Δｄ＝ｄ１－ｄ０として、以下の式で与えられる。
　ΔＣ＝ε×Ｓ／Δｄ
　したがって、第２の発電モードでは、電極間距離ｄの変化Δｄに応じた電気信号を取り出すことができる。なお、第１電極３２２および第２電極３２８は、互いに離れる方向、近づく方向の両方に変位可能としてもよいし、いずれか一方としてもよい。
　図２１（ｃ）に示す第３の発電モードでは、第１電極３２２が変形することにより、圧電効果により圧電膜に表面電荷が発生し、表面電荷に応じて第２電極３２８側が帯電することにより、電気信号が取り出される。なお、図２１（ｃ）では、理解の容易化のため、エレクトレット層３２６の分極による表面電荷は省略しており、圧電層３２４の表面電荷のみを示している。当然のことながら、図２１（ｃ）のように第１電極３２２が変形する場合、第２電極３２８と第１電極３２２の距離ｄも変化するため、第２の発電モードによる電気信号も同時に取り出されることとなる。
　以上が発電装置３２０の発電動作である。続いて、発電装置３２０におけるエレクトレット層の再チャージ動作を説明する。
　図２２（ａ）、（ｂ）は、発電装置３２０におけるエレクトレット層の再チャージ動作を示す図である。図２２（ａ）は、エレクトレット層３２６が他の部材とショートしたことにより、帯電性が失われた状態を示す。図２２（ｂ）に示すように、第１電極３２２が変形すると、圧電効果により圧電層３２４に表面電荷が発生する。この表面電荷によりエレクトレット層３２６に電界Ｅが印加され、エレクトレット層３２６に再び電気分極が誘起される。これにより、エレクトレット層３２６を再チャージすることができる。
　以下、発電装置３２０により奏される効果を説明する。
　効果１．　発電装置３２０によれば、エレクトレット層３２６と第２電極３２８の導電性基材の相互作用による発電機能（第１モード、第２モード）と、圧電層３２４と第２電極３２８の導電性基材の相互作用による発電機能（第３モード）の両方が発揮されうる。これにより、単位面積あたりの発電量を増大でき、すなわち発電効率を高めることができる。
　効果２．　エレクトレット層３２６と他の部材とのショートによってエレクトレット層３２６の帯電が失われたとしても、その後、圧電層３２４の変形により発生する電界によってエレクトレット層３２６に電気分極を誘起することができるため、発電能力を回復させることができる。したがって発電装置の信頼性を高めることができる。
　効果３．　効果２と関連して、発電装置３２０においては、仮にエレクトレット層３２６と第２電極３２８が接触したとしても、圧電層３２４によりエレクトレット層３２６を再チャージできる。したがって従来のエレクトレット発電装置のようにエレクトレット電極と金属電極の間隔ｄは固定する必要がなく、それらの間隔ｄを積極的に可変とすることで、従来不可能であった第２の発電モードによる発電することが可能となる。
　第１の発電モードと第２の発電モードを比較すると、同じ容量変化を発生させるために必要な第２電極３２８の変位量は、第２の発電モードの方が格段に小さくて足り、言い換えれば、同じ変位を与えたときの容量変化は、第２の発電モードの方が格段に大きい。したがって図２０の発電装置３２０によれば、第１の発電モードのみで発電可能な従来の発電装置よりも格段に大きな電力を取り出すことができる。
　以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
（変形例５）
　実施の形態では、第１電極３２２が固定され、第２電極３２８が可動である場合を説明したが、第２電極３２８を固定し、第１電極３２２を可動としてもよい。あるいは第１電極３２２、第２電極３２８の双方を可動としてもよい。
（変形例６）
　変形例において、第１電極３２２と第２電極３２８の間に、誘電体層を挿入してもよい。これにより、第１電極３２２と第２電極３２８の間の誘電率εを高めることができ、同じ変位が生じたときの容量の変化量ΔＣを増大し、発電量を増大できる。
　あるいは、第１電極３２２と第２電極３２８の間に、誘電率εが１より大きいガスを充填してもよい。誘電体層を挿入する場合、第１電極３２２の変形や、第１電極３２２、第２電極３２８の変位が妨げられるおそれがあるが、ガスであれば、そのような問題を解決できる。
（変形例７）
　実施の形態では、発電装置３２０を発電用途に使用する場合を説明したが、発電装置３２０をセンサとして用いてもよい。
　上述の実施の形態および任意の変形例は組み合わせ可能であり、それらの組み合わせも本発明の範囲に含まれる。
　実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。
１０２…発電装置、１２０…面材、１２２…支持部材、１２４…緩衝部材、１２６…圧電膜、１２８…緩衝部材、１３０…電極、１５０…壁面、１５２…開口部、２０２…圧電装置、２２０…基材、２２０ａ…絶縁性基材、２２０ｂ…導電性基材、２３０…発電性膜、２３２…圧電性膜、２３４…電極、２３６…第１電極、２３８…第２電極、２４０，２４２…外部電極、Ｓ１…上底面、Ｓ２…下底面、Ｓ３，Ｓ４…側面、３１０…エレクトレット発電装置、３１２…エレクトレット電極、３１４…金属電極、３２０…発電装置、３２２…第１電極、３２３…導電性基材、３２４…圧電層、３２６…エレクトレット層、３２８…第２電極。
　本発明は、発電装置に利用できる。

Claims (17)

  1. 　面材と、
    　前記面材を支持する支持部材と、
    　前記面材と前記支持部材の間に設けられる緩衝部材と、
    　前記緩衝部材の表面に設けられた発電機能を有する圧電膜と、
    　を備えることを特徴とする発電装置。
  2. 　前記圧電膜は、前記緩衝部材の表面であって前記面材との接触部分に設けられることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
  3. 　前記面材は、前記緩衝部材に対して遊びをもった状態で支持されることを特徴とする請求項１または２に記載の発電装置。
  4. 　前記圧電膜は、前記緩衝部材の表面に塗布により形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
  5. 　基材と、
    　前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの４側面の少なくともひとつに連続して形成される、圧電効果により発電する発電性膜と、
    　を備えることを特徴とする圧電装置。
  6. 　前記発電性膜は、前記基材の対向する２面、ならびに前記２面を上底面、下底面としたときの対向する２側面に連続して形成されることを特徴とする請求項５に記載の圧電装置。
  7. 　前記発電性膜は、前記基材の全面に連続して形成されることを特徴とする請求項５に記載の圧電装置。
  8. 　前記基材は導電性材料であり、
    　前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
    　前記基材上に形成される圧電性膜と、
    　前記圧電性膜上に形成される電極と、
    　を含み、
    　前記基材および前記電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の圧電装置。
  9. 　前記基材は絶縁性材料であり、
    　前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
    　前記基材上に形成される第１電極と、
    　前記第１電極上に形成される圧電性膜と、
    　前記圧電性膜上に形成される第２電極と、
    　を含み、
    　前記第１電極および前記第２電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の圧電装置。
  10. 　前記発電性膜の各層は、塗装により形成されることを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の圧電装置。
  11. 　前記基材は導電性材料であり、
    　前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、前記基材上に形成される圧電性膜を含み、
    　前記圧電装置は、前記上底面および前記下底面の少なくとも一方形成される前記発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、前記基材と前記外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の圧電装置。
  12. 　前記基材は絶縁性材料であり、
    　前記発電性膜は、前記基材の各面において前記基材に近い方向を下方向とするとき、
    　前記基材上に形成される第１電極と、
    　前記第１電極上に形成される圧電性膜と、
    　を含み、
    　前記圧電装置は、前記上底面および前記下底面の少なくとも一方に形成される前記発電性膜と対向して設けられた外部電極とともに使用され、前記第１電極と前記外部電極の間に生ずる電気信号が外部に取り出されることを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の圧電装置。
  13. 　積層されたエレクトレット層および圧電層を含み、変形可能な第１電極と、
    　前記第１電極と対向して、相対的に可動に設けられた導電性基材を含む第２電極と、
    　を備えることを特徴とする発電装置。
  14. 　前記第１電極および前記第２電極の間隔が可変に構成されることを特徴とする請求項１３に記載の発電装置。
  15. 　前記第１電極と前記第２電極のオーバーラップ面積が可変に構成されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の発電装置。
  16. 　前記第１電極と前記第２電極の間には、誘電体層が設けられることを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の発電装置。
  17. 　前記第１電極と前記第２電極の間には、誘電率が１より大きいガスが充填されることを特徴とする請求項１３から１５のいずれかに記載の発電装置。
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