WO2018185895A1

WO2018185895A1 - 発電素子および発電装置

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Publication number: WO2018185895A1
Application number: PCT/JP2017/014283
Authority: WO
Inventors: 岡田　和廣; 美穂岡田
Original assignee: 株式会社トライフォース・マネジメント
Priority date: 2017-04-05
Filing date: 2017-04-05
Publication date: 2018-10-11
Also published as: JPWO2018185895A1; US20190131890A1; JP6335400B1; CN110546875A; US10734922B2; CN110546875B

Abstract

【課題】発電周波数帯域を拡大することが可能な発電素子を提供する。【解決手段】実施形態の発電素子１は、変位部材１０、変位部材２０および固定部材３０を備え、変位部材１０と変位部材２０は弾性変形体４１を介して接続され、変位部材１０は弾性変形体４２を介して取付部５１に接続され、変位部材１０および／または変位部材２０は第１の発電面を有し、固定部材３０は第１の発電面に対向する第２の発電面を有し、第１の発電面および第２の発電面のうち一方の面にはエレクトレット材料層が設けられ、他方の面には対向電極層が設けられている。

Description

発電素子および発電装置

　本発明は、発電素子、より詳しくは、エレクトレット材料を利用して発電を行う発電素子、および当該発電素子を用いた発電装置に関する。

　従来、エレクトレット材料を利用して、振動エネルギーを電気エネルギーに変換するエレクトレット発電素子（以下、単に「発電素子」ともいう。）が知られている。エレクトレット材料は、永久磁石の磁気分極のように、電界を無くしても誘電分極が残留する誘電体である。

　特許文献１には、エレクトレット材料を有する第１電極と、金属からなる第２電極とを備える発電素子が記載されている。この発電素子では、第１電極または第２電極がＸＹ平面内で弾性移動して第２電極に静電誘導される電荷量が変化することにより、電気エネルギーが発電素子の外部に取り出される。

特開２００８－８６１９０号公報

　ところで、エレクトレット発電素子では、環境から振動を受けて弾性移動する電極等の変位部材（振動体）は通常、シリコン等の半導体または金属から構成される。このため、発電素子の共振周波数は、ピークが高いものの（Ｑ値が高い）、半値幅が狭いという特徴を有する。したがって、発電素子の発電効率を高めるためには、共振周波数を環境の振動周波数に合わせることが必要である。

　一方、環境には特定の周波数だけでなく、様々な周波数の振動が混在している。このため、発電素子の共振周波数を特定の周波数に合わせるだけでは、発電効率を高めることは難しい。

　さらに、発電素子の共振周波数は、温度変動や外部応力によって変化する。このため、共振周波数を環境振動の周波数（例えば最もピークの大きい周波数）に合わせたとしても、温度変動等による共振周波数の変動によって発電効率が低下してしまうという問題がある。

　本発明は、上記の技術的認識に基づいてなされたものであり、その目的は、発電周波数帯域を拡大することが可能な発電素子を提供することである。

　本発明に係る発電素子は、
　第１の変位部材、第２の変位部材および固定部材を備える発電素子であって、
　前記第１の変位部材と前記第２の変位部材は、第１の弾性変形体を介して接続され、
　前記第１の変位部材は、第２の弾性変形体を介して取付部に接続され、
　前記第１の変位部材および／または前記第２の変位部材は、第１の発電面を有し、前記固定部材は、前記第１の発電面に対向する第２の発電面を有し、
　前記第１の発電面および前記第２の発電面のうち、一方の面にはエレクトレット材料層が設けられ、他方の面には対向電極層が設けられていることを特徴とする。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位部材は、前記第１の変位部材の外部に配置されているようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位部材は、
　前記第２の変位部材側に向いた第１の変位面と、
　前記第１の変位面と反対側の第２の変位面と、
　前記第１の変位面と前記第２の変位面とを接続する第１の接続面と、を有し、
　前記第２の変位部材は、
　前記第１の変位面に対向する第３の変位面と、
　前記第３の変位面と反対側の第４の変位面と、
　前記第３の変位面と前記第４の変位面とを接続する第２の接続面と、を有するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の接続面または前記第２の接続面は、前記第１の発電面を構成し、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の投影重なり面積が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の接続面および前記第２の接続面の両方が、前記第１の発電面を構成し、
　前記第１の接続面には第１のエレクトレット材料層が設けられ、前記第２の接続面には第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層と、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層とが設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の第１の投影重なり面積、および前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の第２の投影重なり面積が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位面または前記第４の変位面は、前記第１の発電面を構成し、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位面および前記第４の変位面の両方が、前記第１の発電面を構成し、
　前記第４の変位面には第１のエレクトレット材料層が設けられ、前記第２の変位面には第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層と、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層とが設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の第１の層間距離、および前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の第２の層間距離が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位部材は、前記取付部に対向する第２の取付部に第３の弾性変形体を介して接続されているようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位部材は、前記第１の変位部材の内部に配置されているようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位部材は、
　第１の変位内面と、
　前記第１の変位内面に対向する第２の変位内面と、
　前記第１の変位内面と前記第２の変位内面とを接続する接続内面と、
　前記第１の変位内面と反対側の第１の変位外面と、
　前記第２の変位内面と反対側の第２の変位外面と、
　前記第１の変位外面と前記第２の変位外面とを接続する接続外面と、を有し、
　前記第２の変位部材は、
　前記第１の変位内面に対向する第１の変位面と、
　前記第２の変位内面に対向する第２の変位面と、
　前記第１の変位面と前記第２の変位面とを接続する接続面と、を有するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記接続外面には、第１のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の投影重なり面積が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記接続面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記接続内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の投影重なり面積が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の変位面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の変位内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の層間距離が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位外面または前記第２の変位外面には、第１のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動するようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位部材の内部に配置され、第３の弾性変形体を介して前記第１の変位部材に接続された第３の変位部材をさらに備えてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位部材は、前記第２の変位部材を取り囲む第１の枠状構造体として構成され、
　前記第２の変位部材は、板状構造体により構成され、
　前記固定部材は、前記第１の枠状構造体を取り囲む第２の枠状構造体として構成されていてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の枠状構造体は、
　第１の変位内面と、
　前記第１の変位内面に対向する第２の変位内面と、
　前記第１の変位内面と前記第２の変位内面とを接続する接続内面と、
　前記第１の変位内面と反対側の第１の変位外面と、
　前記第２の変位内面と反対側の第２の変位外面と、
　前記第１の変位外面と前記第２の変位外面とを接続する接続外面と、を有し、
　前記第２の枠状構造体は、
　前記第１の変位外面に対向する第１の固定内面と、
　前記第２の変位外面に対向する第２の固定内面と、を有してもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第１の変位外面には、第１の変位凸部が設けられ、
　前記第２の変位外面には、第２の変位凸部が設けられ、
　前記第１の固定内面の、前記第１の変位凸部に対向する位置には、第１の固定凸部が設けられ、
　前記第２の固定内面の、前記第２の変位凸部に対向する位置には、第２の固定凸部が設けられ、
　前記第１の変位凸部の頂面と前記第１の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第１のエレクトレット材料層が設けられ、他方には第１の対向電極層が設けられ、
　前記第２の変位凸部の頂面と前記第２の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第２のエレクトレット材料層が設けられ、他方には第２の対向電極層が設けられていてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記板状構造体の４つの角部の各々には、第１の変位支持点が設けられ、
　前記第１の枠状構造体の４つの内側角部の各々には、第２の変位支持点が設けられ、前記第１の枠状構造体の４つの外側角部の各々には、第３の変位支持点が設けられ、
　前記第２の枠状構造体の４つの内側角部の各々には、固定支持点が設けられ、
　前記第１の変位支持点と前記第２の変位支持点とは、それぞれ１対１に対応し、対応する第１の変位支持点と第２の変位支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続され、
　前記第３の変位支持点と前記固定支持点とは、それぞれ１対１に対応し、対応する第３の変位支持点と固定支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続されていてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記板状構造体は、前記第１の発電面を構成する変位面を有し、
　前記第２の枠状構造体は、前記板状構造体の前記変位面に対向し、前記第２の発電面を構成する側面を有する柱部を有してもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記板状構造体の前記変位面には変位凸部が設けられ、
　前記変位凸部の頂面と前記柱部の側面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方にはエレクトレット材料層が設けられ、他方には対向電極層が設けられていてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記板状構造体の上面および／または下面に、重錘体が接合されているようにしてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記板状構造体および／または前記第１の枠状構造体は、前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２の枠状構造体に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうち少なくとも２方向に変位可能であるように構成されていてもよい。

　また、前記発電素子において、
　前記第２の枠状構造体の内側面には、前記第１の枠状構造体に向かって突出するストッパ突起が設けられており、前記第１の枠状構造体が変位していない状態において、前記ストッパ突起と前記第１の枠状構造体との間には所定の空隙寸法が確保されているようにしてもよい。

　本発明に係る発電装置は、
　前記エレクトレット材料層の下層にエレクトレット電極層が設けられた、本発明に係る発電素子と、
　前記対向電極層と前記エレクトレット電極層との間に生じる電圧に基づいて電力を生成する発電回路と、
　を備えることを特徴とする。

　本発明に係る発電素子では、第１の変位部材と第２の変位部材が第１の弾性変形体を介して接続され、第１の変位部材は、第２の弾性変形体を介して取付部に接続されている。そして、第１の変位部材および／または第２の変位部材は、第１の発電面を有し、固定部材は、第１の発電面に対向する第２の発電面を有する。第１の発電面および第２の発電面のうち、一方の面にはエレクトレット材料層が設けられ、他方の面には対向電極層が設けられている。これにより、第１の変位部材の振動に係る第１の共振系と、第２の変位部材の振動に係る第２の共振系の２つの共振系が形成されるため、発電周波数帯域を拡大することができる。

第１の実施形態に係る発電素子の平面図である。第１の実施形態に係る発電素子の発電原理を説明するための図である。（ａ）は第１の実施形態に係る発電素子における変位部材１０の振動の周波数特性を示すグラフであり、（ｂ）は当該発電素子における変位部材２０の振動の周波数特性を示すグラフである。第１の実施形態の変形例１に係る発電素子の平面図である。第１の実施形態の変形例２に係る発電素子の平面図である。第１の実施形態の変形例３に係る発電素子の平面図である。第１の実施形態の変形例３に係る発電素子の発電量の周波数特性を示すグラフである。（ａ）および（ｂ）ともに、第１の実施形態に係る発電素子全体の発電量を調整した後における、発電量の周波数特性を示すグラフである。第１の実施形態に係る発電素子を備える発電装置の概略的な構成を示す図である。第２の実施形態に係る発電素子の平面図である。第２の実施形態に係る発電素子の発電原理を説明するための図である。第２の実施形態の変形例１に係る発電素子の平面図である。第２の実施形態の変形例２に係る発電素子の平面図である。第３の実施形態に係る発電素子の平面図である。第３の実施形態の変形例１に係る発電素子の平面図である。第３の実施形態の変形例２に係る発電素子の平面図である。第４の実施形態に係る発電素子の平面図である。第４の実施形態の変形例１に係る発電素子の平面図である。第４の実施形態の変形例２に係る発電素子の平面図である。第５の実施形態に係る発電素子の平面図である。（ａ）は第６の実施形態に係る発電素子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ軸に沿う断面図である。図２１（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。変位部材の共振周波数を調整するための具体的な方法をまとめた図である。第６の実施形態の変形例に係る発電素子の断面図である。第７の実施形態に係る発電素子の平面図である。図２５のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

　以下、本発明の実施形態に係るエレクトレット発電素子および発電装置について図面を参照しながら説明する。なお、各図において同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付している。

（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る発電素子１について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る発電素子の平面図である。

　発電素子１は、図１に示すように、変位部材１０（第１の変位部材）と、変位部材２０（第２の変位部材）と、固定部材３０とを備えている。後述するように、発電素子１では２自由度振動系が形成されている。

　本実施形態では、変位部材１０，２０および固定部材３０は、直方体形状であるが、直方体以外の形状であってもよい。また、変位部材１０，２０および固定部材３０は、絶縁体で構成されているが、導体で構成されてもよい。

　変位部材１０と変位部材２０は、弾性変形体４１（第１の弾性変形体）を介して接続されている。変位部材１０は、弾性変形体４２（第２の弾性変形体）を介して取付部５１に接続されている。弾性変形体４１および４２はいずれもＸ軸方向に伸縮する。変位部材１０および２０は、弾性変形体４１および４２が弾性変形することによりＸ軸方向に変位可能である。なお、弾性変形体４１，４２は、弾性変形するものであれば、図１に示すような、つる巻きばねに限られない。

　弾性変形体４１の一端は、変位部材１０に設けられた変位支持点ａ１（第１の変位支持点）に接続されている。また、弾性変形体４１の他端は、変位部材２０に設けられた変位支持点ａ２（第２の変位支持点）に接続されている。

　弾性変形体４２の一端は、変位部材１０に設けられた変位支持点ａ３（第３の変位支持点）に接続されている。また、弾性変形体４２の他端は、取付部５１に設けられた固定支持点ｂ１（第１の固定支持点）に接続されている。

　変位部材１０は、変位部材２０側に向いた変位面１０ａ（第１の変位面）と、この変位面１０ａと反対側の変位面１０ｂ（第２の変位面）と、接続面１０ｃ（第１の接続面）と、を有する。接続面１０ｃは、変位面１０ａと変位面１０ｂとを接続する面である。

　変位部材２０は、変位部材１０の変位面１０ａに対向する変位面２０ａ（第３の変位面）と、この変位面２０ａと反対側の変位面２０ｂ（第４の変位面）と、接続面２０ｃ（第２の接続面）と、を有する。接続面２０ｃは、変位面２０ａと変位面２０ｂとを接続する。

　図１に示すように、変位部材１０の接続面１０ｃには、エレクトレット電極層１１を介してエレクトレット材料層１２が設けられている。すなわち、接続面１０ｃの上にエレクトレット電極層１１が形成され、その上にエレクトレット材料層１２が形成されている。このようにエレクトレット材料層１２の下層には、エレクトレット電極層１１が設けられている。

　エレクトレット電極層１１は、銅またはアルミニウム等の導体から構成されている。エレクトレット材料層１２は、エレクトレット材料から構成されている。本実施形態では、エレクトレット材料層１２は正に帯電しているが、負に帯電していてもよい。

　エレクトレット材料層１２を構成するエレクトレット材料としては、公知の高分子電荷保持材料または無機電荷保持材料を用いることが可能である。高分子電荷保持材料の場合は、例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート等が適用可能である。また、無機電荷保持材料の場合は、例えば、シリコン酸化物、シリコン窒化物等が適用可能である。

　固定部材３０は、取付部５９に取り付けられている。取付部５９は、取付部５１に接続されていてもよいし、接続されていなくてもよい。図１に示すように、固定部材３０は、変位部材１０の接続面１０ｃに対向する対向面３０ｆを有する。この対向面３０ｆには、エレクトレット材料層１２に対向する対向電極層３１が形成されている。この対向電極層３１は、銅またはアルミニウム等の導体から構成されている。

　変位部材１０と固定部材３０は、変位部材１０の接続面１０ｃと固定部材３０の対向面３０ｆが対向するように互いに平行に配置されている。

　なお、発電効率の観点から、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１の平面積は、図１に示すように、ほぼ等しいことが好ましい。

　本願において、発電に寄与する面のことを発電面という。発電面には、エレクトレット材料層、あるいは対向電極層が設けられる。この発電面には、互いに対向する第１の発電面と第２の発電面とがある。第１の実施形態では、変位部材１０の接続面１０ｃが第１の発電面を構成し、固定部材３０の対向面３０ｆが第２の発電面を構成する。

　次に、本実施形態に係る発電素子１の動作について、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）および図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、本実施形態に係る発電素子１の発電原理を説明するための図である。図２（ａ）は、変位部材１０が固定部材３０に対して変位していない状態を示している。図２（ｂ）は、発電素子１に振動エネルギーが与えられて、変位部材１０が固定部材３０に対して変位した状態を示している。図２（ｃ）は、弾性変形体４１および４２の復元力により変位部材１０が元の位置に戻ってきた状態を示している。図３（ａ）は変位部材１０の振動の周波数特性を示すグラフであり、図３（ｂ）は変位部材２０の振動の周波数特性を示すグラフである。

　図２（ａ）に示すように、変位部材１０が固定部材３０に対して変位していない状態において、対向電極層３１にはエレクトレット材料層１２に蓄積された正電荷に応じた量の負電荷（電子）が誘導される。なお、エレクトレット材料層１２が負に帯電している場合には、対向電極層３１には正電荷が誘導される。本明細書の以下の説明では、特に断らない限り、エレクトレット材料層の電荷によって対向電極層に誘導される正電荷または負電荷を総称して単に「電荷」という。

　図２（ｂ）に示すように、変位部材１０が固定部材３０に対して変位した状態においては、変位部材１０と固定部材３０との間の投影重なり面積が減少するため、対向電極層３１の負電荷の一部が外部に放出される。

　本願において、第１部材と第２部材間の投影重なり面積は、第２部材に投影された第１部材と、第２部材とが重なる部分の面積（重複する面積）のことである。本実施形態における投影重なり面積は、固定部材３０に投影された変位部材１０と、固定部材３０とが重なる部分の面積のことである。

　図２（ｃ）に示すように、変位部材１０が元の位置に戻ってきた状態では、変位部材１０と固定部材３０との間の投影重なり面積が元の大きさに戻る。このため、外部から対向電極層３１に負電荷が流れ込み、対向電極層３１に蓄積される負電荷が回復する。

　上記のように、変位部材１０が変位して変位部材１０および固定部材３０間の投影重なり面積が減少する場合、対向電極層３１に静電誘導された電荷が発電素子１の外部に放出される。一方、変位部材１０および固定部材３０間の投影重なり面積が増加する場合、発電素子１の外部から対向電極層３１に電荷が取り込まれる。発電素子１が振動エネルギーを受けると、弾性変形体４１，４２が弾性変形することにより変位部材１０がＸ軸方向に振動し、変位部材１０および固定部材３０間の投影重なり面積が増減を繰り返す。これにより、対向電極層３１に蓄積される電荷が増減する。その結果、発電素子１は発電を行うことができる。

　発電素子１では、２自由度振動系が形成されている。すなわち、発電素子１では、変位部材１０の振動に関与する共振系Ｉと、変位部材２０の振動に関与する共振系ＩＩが構成される。共振系ＩおよびＩＩは、共振系Ｉの共振周波数と共振系ＩＩの共振周波数が異なるように構成されている。このように発電素子１は複数の共振周波数を有することから、本実施形態によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。以下に発電周波数帯域の拡大についてさらに詳しく説明する。

　図３（ａ）は、変位部材１０の振幅を示す周波数特性を示す。周波数値ｆｒ１に大きなピーク波形Ｐ１１が現れ、周波数値ｆｒ２に小さなピーク波形Ｐ１２が現れている。一方、図３（ｂ）は、変位部材２０の振幅を示す周波数特性を示す。周波数値ｆｒ２に大きなピーク波形Ｐ２２が現れており、周波数値ｆｒ１に小さなピーク波形Ｐ２１が現れている。ここで、周波数値ｆｒ１は共振系Ｉの共振周波数であり、周波数値ｆｒ２は共振系IIの共振周波数である。

　発電素子１に対して外部から振動を与え、この外部振動の周波数を低い方から徐々に上げてゆくと、次のような現象が見られることになる。まず、外部振動の周波数が共振系Iの共振周波数ｆｒ１に達すると、図３（ａ）のピーク波形Ｐ１１に示すとおり、変位部材１０の振動振幅が急激に増大する。このとき、変位部材１０の振動の影響を受けて、変位部材２０の振動も増加する。図３（ｂ）に示す小さなピーク波形Ｐ２１は、このような変位部材１０の影響を受けて発生したピーク波形である。このように共振周波数ｆｒ１を有する外部振動が発電素子１に与えられると、変位部材１０の振幅が急増するだけでなく、その影響で変位部材２０の振幅も増加する。

　続いて、外部振動の周波数が共振周波数ｆｒ１からさらに増加して、共振系IIの共振周波数ｆｒ２に達した場合を考える。この場合、図３（ｂ）のピーク波形Ｐ２２に示すとおり、変位部材２０の振幅が急激に増大する。このとき、変位部材２０の振動の影響を受け、変位部材１０の振幅も増加する。図３（ａ）に示す小さなピーク波形Ｐ１２は、このような影響を受けて発生したピーク波形である。このように、共振周波数ｆｒ２を有する外部振動が発電素子１に与えられると、変位部材２０の振幅が急増するだけでなく、その影響で変位部材１０の振幅も増加する。

　なお、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２は、変位部材１０および変位部材２０の質量、ならびに弾性変形体４１および弾性変形体４２のバネ定数のうち少なくともいずれか一つを調整することにより、所望の値に合わせることができる。

　このように、発電素子１に対して共振周波数ｆｒ１をもつ外部振動が加えられたときには、変位部材１０にはピーク波形Ｐ１１に示すような振幅をもった振動が生じる。また、共振周波数ｆｒ２をもつ外部振動が加えられたときにも、変位部材１０にはピーク波形Ｐ１２に示すような振幅をもった振動が生じる。したがって、本実施形態に係る発電素子１によれば、共振周波数ｆｒ１，ｆｒ２近傍の周波数を有する外部振動が与えられたときに効率的に発電を行うことができる。すなわち、発電可能な周波数帯域を、図３（ａ）に示す周波数帯域Ｒ１程度にまで広げることが可能になる。よって、第１の実施形態によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。

　次に、本実施形態に係る変形例１，２および３について説明する。いずれの変形例も第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第１の実施形態の変形例１＞
　第１の実施形態の変形例１について図４を参照して説明する。図４は、本変形例に係る発電素子１Ａの平面図である。

　本変形例に係る発電素子１Ａでは、図４に示すように、変位部材２０は、取付部５１に対向する取付部５２（第２の取付部）に弾性変形体４３（第３の弾性変形体）を介して接続されている。弾性変形体４３の一端は、変位部材２０に設けられた変位支持点ａ４（第４の変位支持点）に接続されている。変位支持点ａ４は、変位面２０ｂに設けられている。また、弾性変形体４３の他端は、取付部５２に設けられた固定支持点ｂ２（第２の固定支持点）に接続されている。

　本変形例によれば、変位部材１０および２０をＸ軸方向に安定的に振動させることができる。また、弾性変形体の数が２つから３つに増えるので、共振周波数を所望の値に調整し易くなる。

　＜第１の実施形態の変形例２＞
　第１の実施形態の変形例２について図５を参照して説明する。図５は、本変形例に係る発電素子１Ｂの平面図である。

　本変形例に係る発電素子１Ｂでは、図５に示すように、エレクトレット材料層が、変位部材１０ではなく、変位部材２０に設けられている。より詳しくは、変位部材２０の接続面２０ｃには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられている。すなわち、接続面２０ｃの上にエレクトレット電極層２１が形成され、その上にエレクトレット材料層２２が形成されている。このように本変形例では、接続面２０ｃが第１の発電面を構成する。

　なお、エレクトレット電極層２１およびエレクトレット材料層２２の材料はそれぞれ、エレクトレット電極層１１およびエレクトレット材料層１２と同様のものを適用することが可能である。

　固定部材３０の対向面３０ｆには、対向電極層３２が設けられている。なお、発電効率の観点から、エレクトレット材料層２２と対向電極層３２の平面積は、図５に示すように、ほぼ等しいことが好ましい。

　発電素子１Ｂは、変位部材２０の振動により発電を行う。図３（ｂ）に示すように、変位部材２０の振幅は共振周波数ｆｒ２だけでなく、共振周波数ｆｒ１でも大きくなることから、本変形例によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。

　＜第１の実施形態の変形例３＞
　第１の実施形態の変形例３について図６を参照して説明する。図６は、本変形例に係る発電素子１Ｃの平面図である。

　本変形例に係る発電素子１Ｃでは、図６に示すように、エレクトレット材料層が、変位部材１０だけでなく、変位部材２０にも設けられている。変位部材２０と固定部材３０は、変位部材２０の接続面２０ｃと固定部材３０の対向面３０ｆが対向するように互いに平行に配置されている。固定部材３０の対向面３０ｆには、対向電極層３１および対向電極層３２が設けられている。本変形例では、接続面１０ｃおよび接続面２０ｃの両方が第１の発電面を構成する。対向面３０ｆは、第２の発電面を構成する。

　接続面１０ｃにはエレクトレット材料層１２が設けられ、接続面２０ｃにはエレクトレット材料層２２が設けられている。対向面３０ｆには、エレクトレット材料層１２に対応する対向電極層３１と、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層３２とが設けられている。

　発電素子１Ｃに振動エネルギーが与えられると、弾性変形体４１，４２が弾性変形することにより、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の第１の投影重なり面積、およびエレクトレット材料層２２と対向電極層３２との間の第２の投影重なり面積が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して投影重なり面積の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

　発電素子１Ｃの発電量の周波数特性について、図７を参照して説明する。図７に示すように、共振系Ｉの共振周波数ｆｒ１の位置に発電量のピーク波形Ｐ１（半値幅ｈ１）が得られ、共振系IIの共振周波数ｆｒ２の位置に発電量のピーク波形Ｐ２（半値幅ｈ２）が得られる。なお、図７では、便宜上、２つのピーク波形Ｐ１およびＰ２の高さや幅を同一に描いているが、実際には、個々のピーク波形Ｐ１，Ｐ２の高さや幅は、変位部材１０，２０の質量や弾性変形体４１，４２のバネ定数などの諸条件によって決まる。

　また、図７の縦軸に示す発電量は、発電素子１Ｃ全体の総発電量である。すなわち、ピーク波形Ｐ１には、変位部材１０の振動による発電量だけでなく、変位部材２０の振動による発電量も含まれている。ピーク波形Ｐ２も同様であり、変位部材１０および変位部材２０の各々の振動による発電量の和を示している。

　図３（ａ）および図７に示すように、周波数帯域Ｒ１は、周波数ｆｒ１～ｆｒ２の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、いわば「歯抜け状態」の帯域である。したがって、ｆｒ１～ｆｒ２の範囲の周波数をもった外部振動のすべてについて効率的な発電が行われるわけではない。しかし、周波数特性が単一のピークのみを有する発電素子の発電特性に比べれば、発電可能な周波数帯域を広げる効果が得られることになる。

　また、変位部材１０，２０の質量や弾性変形体４１，４２のバネ定数を変更することにより、発電量のピークＰ１，Ｐ２の位置をシフトさせることが可能である。例えば、実際の利用環境において発電素子に与えられる外部振動の周波数成分が図７の周波数帯域Ｒ１よりも広い範囲に分布している場合は、図８（ａ）に示すように、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１をより低くなるようにシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２をより高くなるようにシフトさせる調整を行うのが好ましい。図８（ａ）では、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（－）に調整され、ピーク波形Ｐ１は左側にシフトしてピーク波形Ｐ１′となっている。また、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ２は右側にシフトしてピーク波形Ｐ２′となっている。その結果、周波数帯域Ｒ１よりも広い周波数帯域Ｒ２が得られる。この周波数帯域Ｒ２は、周波数ｆｒ１（－）～ｆｒ２（＋）の範囲をすべてカバーする連続した帯域ではなく、「歯抜け状態」の帯域である。しかし、周波数ｆｒ１（－）～ｆｒ２（＋）の範囲の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合に、好ましい周波数特性を示すことになる。

　逆に、想定される外部振動の周波数成分が、周波数帯域Ｒ１よりも狭い範囲に分布している場合は、図８（ｂ）に示すように、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１をより高くなるようにシフトさせ、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２をより低くなるようにシフトさせる調整を行うのが好ましい。図８（ｂ）では、ピーク波形Ｐ１の共振周波数ｆｒ１はｆｒ１（＋）に調整され、ピーク波形Ｐ１は右側にシフトする。また、ピーク波形Ｐ２の共振周波数ｆｒ２はｆｒ２（－）に調整され、ピーク波形Ｐ２は左側にシフトする。その結果、２つのピーク波形は融合し、半値幅ｈ１，ｈ２よりも広い半値幅ｈｈをもった融合ピーク波形ＰＰが形成される。その結果、周波数帯域Ｒ１よりも狭い周波数帯域Ｒ３が得られる。融合ピーク波形ＰＰが形成されることにより、周波数帯域Ｒ３は、「歯抜け状態」の帯域ではなく、周波数ｆｒ１（＋）～ｆｒ２（－）の範囲をすべてカバーする連続した帯域になる。したがって、周波数ｆｒ１（＋）～ｆｒ２（－）の近傍の周波数成分を含む外部振動が与えられた場合には、より効率的な発電を行うことができる。

　実用上は、実利用環境で発生する外部振動の周波数成分を考慮して、適切な周波数特性をもつ発電素子を設計することが好ましい。そのためには、共振周波数ｆｒ１およびｆｒ２をそれぞれ所望の周波数にシフトする調整が必要になる。また、想定される外部振動の周波数成分が全体的に高い場合や、全体的に低い場合は、周波数帯域自体を周波数軸ｆに沿って左側または右側に移動させる調整が必要になる。

　以上、第１の実施形態およびその変形例１～３において説明したように、接続面１０ｃおよび／または接続面２０ｃが第１の発電面を構成し、固定部材３０の対向面３０ｆが第２の発電面を構成する。第１の発電面には、エレクトレット電極層を介してエレクトレット材料層が設けられ、第２の発電面には対向電極層が設けられる。なお、本発明はこれに限らず、第１の発電面に対向電極層が設けられ、第２の発電面にエレクトレット電極層を介してエレクトレット材料層が設けられてもよい。したがって、一般的に言えば、第１の発電面および第２の発電面のうち、一方の面にはエレクトレット材料層が設けられ、他方の面には対向電極層が設けられている。

　なお、変位部材の数は２つに限らず、３つ以上であってもよい。例えば、変位部材２０の変位面２０ｂに弾性変形体を介して別の変位部材（図示せず）を設けてもよい。これにより、共振系の数がさらに増加し、発電周波数帯域をさらに拡大することができる。

　＜発電装置＞
　次に、発電素子１を備える発電装置１００について、図９を参照して説明する。

　発電装置１００は、図９に示すように、発電素子１と、発電回路２とを備えている。発電回路２は、対向電極層３１とエレクトレット電極層１１との間に生じる電圧に基づいて電力を生成するように構成されている。本実施形態では、発電回路２は、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４から構成されるダイオードブリッジと、平滑コンデンサＣとを有しており、対向電極層３１とエレクトレット電極層１１との間に生じる電圧を整流して直流電力を生成する。生成された直流電力は、出力端子Ｔ１，Ｔ２を介して負荷ＲＬに供給される。

　エレクトレット電極層１１および対向電極層３１は、発電回路２に電気的に接続されている。本実施形態では、図９に示すように、エレクトレット電極層１１は、ダイオードＤ２のカソードとダイオードＤ３のアノードとの接続点Ｘに電気的に接続され、対向電極層３１は、ダイオードＤ１のカソードとダイオードＤ４のアノードとの接続点Ｙに電気的に接続されている。

　なお、発電回路２は直流電力に限らず、交流電力を生成して出力してもよい。例えば、発電回路２は、直流電力を交流電力に変換するインバータをダイオードブリッジに後段にさらに有してもよい。

　また、発電装置１００が有する発電素子は、本実施形態に係る発電素子１に限らず、変形例１～３に係る発電素子１Ａ～１Ｃであってもよいし、あるいは、以下に説明する実施形態に係る発電素子であってもよい。

（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態に係る発電素子１Ｄについて、図１０を参照して説明する。図１０は、本実施形態に係る発電素子の平面図である。第１の実施形態では、エレクトレット材料層と対向電極層との間の投影重なり面積を増減させることで発電を行った。これに対し、第２の実施形態は、エレクトレット材料層と対向電極層との間の距離（以下、単に「層間距離」ともいう。）を増減させることで発電を行う。以下、第１の実施形態との相違点を中心に第２の実施形態について説明する。

　発電素子１Ｄは、図１０に示すように、弾性変形体４２を介して取付部５１に接続された変位部材１０と、弾性変形体４１を介して変位部材１０に接続された変位部材２０と、取付部５１に対向する取付部５２に取り付けられた固定部材３０とを備えている。第１の実施形態の場合と同様に、発電素子１Ｄでは２自由度振動系が形成されている。変位部材１０および２０は、弾性変形体４１および４２が弾性変形することによりＸ軸方向に変位可能である。

　第２の実施形態では、変位面２０ｂが第１の発電面を構成している。変位面２０ｂには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられている。また、対向面３０ｆが第２の発電面を構成している。

　エレクトレット材料層２２および対向電極層３１は、所定の基準面を挟むように配置されている。本実施形態では、エレクトレット材料層２２および対向電極層３１は、図１１（ａ）に示すように、基準平面Ｓに平行になるように配置されている。なお、基準面は曲面であってもよい。例えば、エレクトレット材料層２２が凸形状に形成され、対向電極層３１が当該凸形状に勘合する凹形状に形成された場合、基準面は凸形状（または凹形状）に沿う曲面となる。

　発電素子１Ｄでは、変位部材２０は層間距離が変動するようにＸ軸方向に変位し、この変位動作により発電が行われる。本実施形態において、層間距離は、対向するエレクトレット材料層２２と対向電極層３１との間の距離である。

　次に、本実施形態に係る発電素子１Ｄの動作について、図１１（ａ），（ｂ），（ｃ）を参照して説明する。図１１（ａ）は、変位部材２０が固定部材３０に対して変位していない状態を示している。図１１（ｂ）は、発電素子１Ｄに振動エネルギーが与えられて、変位部材２０が固定部材３０に対して変位した状態を示している。図１１（ｃ）は、弾性変形体４１および４２の復元力により変位部材１０が元の位置を越えて固定部材３０に接近した状態を示している。

　図１１（ａ）に示すように、変位部材２０が固定部材３０に対して変位していない状態において、エレクトレット材料層２２と対向電極層３１との間の層間距離はｄ１である。エレクトレット材料層２２に蓄積された正電荷により、対向電極層３１には負電荷が誘導される。

　－Ｘ軸方向（Ｘ軸負方向）の力が変位部材２０に作用すると、図１１（ｂ）に示すように、変位部材２０は固定部材３０から離れ、層間距離はｄ１よりも大きいｄ２となる。これにより、エレクトレット電極層２１と対向電極層３１から構成されるコンデンサの静電容量が減少するため、対向電極層３１に誘導される電荷は減少する。反対に、＋Ｘ軸方向（Ｘ軸正方向）の力が変位部材２０に作用すると、図１１（ｃ）に示すように、変位部材２０は固定部材３０に近づき、層間距離はｄ１よりも小さいｄ３となる。これにより、エレクトレット電極層２１と対向電極層３１から構成されるコンデンサの静電容量が増加するため、対向電極層３１に誘導される電荷は増加する。

　上記のように、変位部材２０が基準平面Ｓに対して垂直方向に（すなわち、Ｘ軸方向に）振動することにより、層間距離が増減するため発電が行われる。すなわち、発電素子１Ｄに振動エネルギーが与えられると、弾性変形体４１，４２が弾性変形することにより、エレクトレット材料層２２と対向電極層３１との間の層間距離が変動することにより、発電素子１Ｄは発電を行うことができる。

　発電素子１Ｄでは、第１の実施形態と同様に２自由度振動系が形成されているため、第２の実施形態によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。

　次に、本実施形態に係る変形例１および２について説明する。いずれの変形例も第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第２の実施形態の変形例１＞
　第２の実施形態の変形例１について図１２を参照して説明する。図１２は、本変形例に係る発電素子１Ｅの平面図である。

　本変形例では、変位面２０ｂだけでなく変位部材１０の変位面１０ｂも第１の発電面を構成する。図１２に示すように、変位部材２０の変位面２０ｂには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられるとともに、変位部材１０の変位面１０ｂにはエレクトレット電極層１１を介してエレクトレット材料層１２が設けられる。エレクトレット電極層１１およびエレクトレット材料層１２は、例えば環状に設けられる。

　また、取付部５２だけでなく、取付部５１にも固定部材３０が設けられている。いずれの固定部材３０の対向面３０ｆも、第２の発電面を構成する。取付部５２に取り付けられた固定部材３０の対向面３０ｆには、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層３１が設けられる。取付部５１に取り付けられた固定部材３０の対向面３０ｆには、エレクトレット材料層１２に対応する対向電極層３２が設けられる。対向電極層３２は、例えば、エレクトレット材料層１２の形状に合わせて環状に設けられる。

　発電素子１Ｅに振動エネルギーが与えられると、弾性変形体４１，４２が弾性変形することにより、エレクトレット材料層２２と対向電極層３１との間の第１の層間距離、およびエレクトレット材料層１２と対向電極層３２との間の第２の層間距離が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して層間距離の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

　なお、別の変形例として、図示しないが、変位部材１０にのみエレクトレット材料層を設けるようにしてもよい。

　＜第２の実施形態の変形例２＞
　第２の実施形態の変形例２について図１３を参照して説明する。図１３は、本変形例に係る発電素子１Ｆの平面図である。

　本変形例では、図１３に示すように、変位部材２０は、取付部５１に対向する取付部５２に弾性変形体４３を介して接続されている。また、エレクトレット材料層２２および対向電極層３１は環状に設けられている。

　上述した第１および第２の実施形態、並びにそれらの変形例では、変位部材２０は、変位部材１０の外部に配置されていた。これに対し以下に説明する第３～第７の実施形態では、変位部材２０は変位部材１０の内部に配置される。

（第３の実施形態）
　本発明の第３の実施形態に係る発電素子１Ｇについて、図１４を参照して説明する。図１４は、本実施形態に係る発電素子の平面図である。本実施形態に係る発電素子１Ｇは、第１の実施形態と同様に投影重なり面積の増減に基づいて発電を行うが、変位部材２０は変位部材１０の内部に配置されている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に第３の実施形態について説明する。

　発電素子１Ｇは、図１４に示すように、枠状に構成された変位部材１０と、この変位部材１０の内部に配置された変位部材２０と、取付部５９に取り付けられた固定部材３０とを備えている。

　枠状の変位部材１０は、変位内面１０ｅ１（第１の変位内面）と、この変位内面１０ｅ１に対向する変位内面１０ｅ２（第２の変位内面）と、接続内面１０ｅ３と、接続内面１０ｅ４とを有する。接続内面１０ｅ３および１０ｅ４はいずれも、変位内面１０ｅ１と変位内面１０ｅ２とを接続する。

　また、枠状の変位部材１０は、変位内面１０ｅ１と反対側の変位外面１０ｆ１（第１の変位外面）と、変位内面１０ｅ２と反対側の変位外面１０ｆ２（第２の変位外面）と、接続外面１０ｆ３と、接続外面１０ｆ４と、を有する。接続外面１０ｆ３および１０ｆ４はいずれも、変位外面１０ｆ１と変位外面１０ｆ２とを接続する。

　変位部材２０は、図１４に示すように、変位内面１０ｅ１に対向する変位面２０ｅ（第１の変位面）と、変位内面１０ｅ２に対向する変位面２０ｆ（第２の変位面）と、接続面２０ｇと、接続面２０ｈと、を有する。接続面２０ｇおよび２０ｈはいずれも、変位面２０ｅと変位面２０ｆとを接続する。

　変位部材１０と変位部材２０は、弾性変形体４１を介して接続されている。本実施形態では、弾性変形体４１の一端は、変位部材１０の変位内面１０ｅ１に設けられた変位支持点ａ１に接続される。弾性変形体４１の他端は、変位部材２０の変位面２０ｅに設けられた変位支持点ａ２に接続されている。

　変位部材１０は、弾性変形体４２を介して取付部５１に接続されている。本実施形態では、弾性変形体４２の一端は、変位部材１０の変位外面１０ｆ２に設けられた変位支持点ａ３に接続されている。また、弾性変形体４２の他端は、取付部５１に設けられた固定支持点ｂ１に接続されている。

　本実施形態では、変位部材１０の接続外面１０ｆ３が第１の発電面を構成する。図１４に示すように、接続外面１０ｆ３には、エレクトレット電極層１１を介してエレクトレット材料層１２が設けられている。また、第２の発電面を構成する対向面３０ｆには、エレクトレット材料層１２に対応する対向電極層３１が設けられている。

　発電素子１Ｇに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の投影重なり面積が変動し、この変動により発電が行われる。また、発電素子１Ｇでは、第１の実施形態と同様に２自由度振動系が形成されている。よって、第３の実施形態によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。

　次に、本実施形態に係る変形例１および２について説明する。いずれの変形例も第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第３の実施形態の変形例１＞
　第３の実施形態の変形例１について図１５を参照して説明する。図１５は、本変形例に係る発電素子１Ｈの平面図である。発電素子１Ｈは、変位部材１０および固定部材３０間の投影重なり面積の変動による発電だけでなく、変位部材１０および変位部材２０間の投影重なり面積の変動による発電も行う。

　本変形例では、変位部材１０の接続外面１０ｆ３、および変位部材２０の接続面２０ｇが第１の発電面を構成する。また、固定部材３０の対向面３０ｆおよび変位部材１０の接続内面１０ｅ３が第２の発電面を構成する。

　図１５に示すように、接続面２０ｇには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられている。また、接続内面１０ｅ３には、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３（第２の対向電極層）が設けられている。

　発電素子１Ｈに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の投影重なり面積、およびエレクトレット材料層２２と対向電極層１３との間の投影重なり面積が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して投影重なり面積の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

　なお、エレクトレット材料層２２は接続面２０ｈに設けられてもよい。この場合、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３は接続内面１０ｅ４に設けられる。

＜第３の実施形態の変形例２＞
　第３の実施形態の変形例２について図１６を参照して説明する。図１６は、本変形例に係る発電素子１Ｉの平面図である。発電素子１Ｉは、投影重なり面積の変動による発電と、層間距離の変動による発電の両方を行う。より詳しくは、発電素子１Ｉは、変位部材１０および固定部材３０間で投影重なり面積の変動による発電を行い、変位部材１０および変位部材２０で層間距離の変動による発電を行う。

　本変形例では、変位部材２０の変位面２０ｆ、および変位部材１０の接続外面１０ｆ３が第１の発電面を構成する。図１６に示すように、変位面２０ｆにはエレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられ、変位内面１０ｅ２にはエレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３が設けられている。

　発電素子１Ｉに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の投影重なり面積が変動するとともに、エレクトレット材料層２２と対向電極層１３との間の層間距離が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して投影重なり面積の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

　なお、エレクトレット材料層２２は変位面２０ｅに設けられてもよい。この場合、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３は変位内面１０ｅ１に設けられる。

（第４の実施形態）
　本発明の第４の実施形態に係る発電素子１Ｊについて、図１７を参照して説明する。図１７は、本実施形態に係る発電素子の平面図である。本実施形態に係る発電素子１Ｊは、第３の実施形態に係る発電素子１Ｉと同様に変位部材２０が変位部材１０の内部に配置されているが、変位部材１０と固定部材３０間の層間距離の増減により発電を行う点で第３の実施形態と異なる。以下、第３の実施形態との相違点を中心に第４の実施形態について説明する。

　発電素子１Ｊは、図１７に示すように、枠状に構成された変位部材１０と、この変位部材１０の内部に配置された変位部材２０と、取付部５２に取り付けられた固定部材３０とを備えている。

　本実施形態では、変位部材１０の変位外面１０ｆ１が第１の発電面を構成する。変位外面１０ｆ１には、エレクトレット電極層１１を介してエレクトレット材料層１２が設けられている。また、第２の発電面を構成する対向面３０ｆには、エレクトレット材料層１２に対応する対向電極層３１が設けられている。

　発電素子１Ｊに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の層間距離が変動し、この変動により発電が行われる。また、発電素子１Ｊでは、第１の実施形態と同様に２自由度振動系が形成されている。よって、第４の実施形態によれば、発電周波数帯域を拡大することができる。

　なお、エレクトレット材料層１２は変位外面１０ｆ２に設けられてもよい。この場合、固定部材３０は、対向電極層３１がエレクトレット材料層１２に対向するように取付部５１に設けられる。

　次に、本実施形態に係る変形例１および２について説明する。いずれの変形例も第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。

＜第４の実施形態の変形例１＞
　第４の実施形態の変形例１について図１８を参照して説明する。図１８は、本変形例に係る発電素子１Ｋの平面図である。発電素子１Ｋは、変位部材１０および固定部材３０間だけでなく、変位部材１０および変位部材２０間でも層間距離の変動による発電を行う。

　本変形例では、変位部材１０の変位外面１０ｆ１、および変位部材２０の変位面２０ｆが第１の発電面を構成する。図１８に示すように、変位面２０ｆには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられている。変位内面１０ｅ２には、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３が設けられている。

　発電素子１Ｋに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の層間距離が変動するとともに、エレクトレット材料層２２と対向電極層１３との間の層間距離が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して層間距離の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

＜第４の実施形態の変形例２＞
　第４の実施形態の変形例２について図１９を参照して説明する。図１９は、本変形例に係る発電素子１Ｌの平面図である。発電素子１Ｌは、変位部材１０および固定部材３０間で層間距離の変動による発電を行い、変位部材１０および変位部材２０で投影重なり面積の変動による発電を行う。

　本変形例では、変位部材１０の変位外面１０ｆ１、および変位部材２０の接続面２０ｇが第１の発電面を構成する。図１９に示すように、接続面２０ｇには、エレクトレット電極層２１を介してエレクトレット材料層２２が設けられる。変位部材１０の接続内面１０ｅ３には、エレクトレット材料層２２に対応する対向電極層１３が設けられる。

　発電素子１Ｌに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の層間距離が変動するとともに、エレクトレット材料層２２と対向電極層１３との間の投影重なり面積が変動する。これにより、本変形例によれば、変位部材１０および変位部材２０の両方の振動を利用して層間距離および投影重なり面積の変動に基づく発電を行うことができ、発電効率をさらに高めることができる。

（第５の実施形態）
　本発明の第５の実施形態に係る発電素子１Ｍについて、図２０を参照して説明する。図２０は、本実施形態に係る発電素子の平面図である。本実施形態に係る発電素子１Ｍは、第３の実施形態と同様に変位部材２０が変位部材１０の内部に配置されているが、別の変位部材２５も変位部材１０の内部に配置されている点で第３の実施形態と異なる。以下、第３の実施形態との相違点を中心に第５の実施形態について説明する。

　発電素子１Ｍは、図２０に示すように、枠状に構成された変位部材１０と、この変位部材１０の内部に配置された変位部材２０と、取付部５９に取り付けられた固定部材３０と、変位部材１０の内部に配置された変位部材２５（第３の変位部材）とを備えている。

　変位部材２５は、変位部材１０の内部に配置されており、弾性変形体４５（第３の弾性変形体）を介して変位部材１０に接続されている。変位部材２５の質量および弾性変形体４５のバネ定数は、変位部材２５の振動に係る共振系ＩＩＩの共振周波数が前述の共振系ＩおよびＩＩの共振周波数と異なるように設定される。

　発電素子１Ｍに振動エネルギーが与えられると、エレクトレット材料層１２と対向電極層３１との間の投影重なり面積が変動し、この変動により発電が行われる。

　発電素子１Ｍでは３自由度振動系が形成されており、第３の実施形態に比べて発電周波数帯域をさらに拡大することができる。

　なお、変位部材１０の内部に変位部材をさらに設けてもよい。これにより、共振系の数がさらに増加し、発電周波数帯域をさらに拡大することができる。

　次に、より実際的な構成を有する第６および第７の実施形態について説明する。

（第６の実施形態）
　第６の実施形態に係る発電素子１Ｐについて、図２１（ａ），（ｂ）および図２２を参照して説明する。図２１（ａ）は、本実施形態に係る発電素子１Ｐの平面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）のＸ軸に沿う断面図である。図２２は、図２１（ａ）のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

　本実施形態に係る発電素子１Ｐは、第３および第４の実施形態で説明した発電素子と動作原理はほぼ同じであるが、より実際的な構成を備えるものである。

　発電素子１Ｐは、変位部材１０として機能する枠状構造体７０（第１の枠状構造体）と、固定部材３０として機能する枠状構造体８０（第２の枠状構造体）と、変位部材２０として機能する板状構造体６０とを備えている。本実施形態では、変位部材１０が、変位部材２０を取り囲む枠状構造体７０として構成され、変位部材２０が、板状構造体６０により構成され、固定部材３０が、枠状構造体７０を取り囲む枠状構造体８０として構成される。

　なお、板状構造体６０および枠状構造体７０が変位していない状態において板状構造体６０の中心が原点Ｏに位置するように、ＸＹＺ三次元直交座標系が定義される。ＸＹＺ三次元直交座標系は枠状構造体８０に対して固定されている。

　板状構造体６０は、矩形状をなしており、ＸＹ平面に平行な上面および下面を有する。この板状構造体６０は、その４つの角部の各々に変位支持点ａ２１，ａ２２，ａ２３，ａ２４が設けられている。なお、板状構造体６０の形状は矩形状に限られるものではなく、円形状、楕円形状、多角形状、球状など他の形状であってもよい。

　枠状構造体７０は、図２１（ａ）に示すように、変位内面７０ａ１（第１の変位内面）と、変位内面７０ａ２（第２の変位内面）と、接続内面７０ａ３と、接続内面７０ａ４と、変位外面７０ｂ１（第１の変位外面）と、変位外面７０ｂ２（第２の変位外面）と、接続外面７０ｂ３と、接続外面７０ｂ４と、を有する。

　変位内面７０ａ２は、変位内面７０ａ１に対向する面である。接続内面７０ａ３および７０ａ４はいずれも、変位内面７０ａ１と変位内面７０ａ２とを接続する面である。変位外面７０ｂ１は、変位内面７０ａ１と反対側の面である。変位外面７０ｂ２は、変位内面７０ａ２と反対側の面である。接続外面７０ｂ３および７０ｂ４はいずれも、変位外面７０ｂ１と変位外面７０ｂ２とを接続する面である。

　枠状構造体７０の４つの内側角部の各々には、変位支持点ａ１１，ａ１２，ａ１３，ａ１４が設けられている。また、枠状構造体７０の４つの外側角部の各々には、変位支持点ａ３１，ａ３２，ａ３３，ａ３４が設けられている。

　枠状構造体８０は、図２１（ａ）に示すように、枠状構造体７０の変位外面７０ｂ１に対向する固定内面８０ａ（第１の固定内面）と、変位外面７０ｂ２に対向する固定内面８０ｂ（第２の固定内面）と、固定内面８０ｃと、固定内面８０ｄとを有する。固定内面８０ｃおよび８０ｄはいずれも、固定内面８０ａと固定内面８０ｂとを接続する面である。なお、第１の実施形態における取付部５１は、本実施形態では固定内面８０ａ～８０ｄにより構成されていると言える。

　枠状構造体８０の４つの内側角部の各々には、固定支持点ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４が設けられている。

　図２１（ａ）に示すように、枠状構造体７０の変位外面７０ｂ１および７０ｂ２には、凸部が設けられている。より詳しくは、変位外面７０ｂ１には変位凸部７１（第１の変位凸部）が設けられ、変位外面７０ｂ２には変位凸部７２（第２の変位凸部）が設けられている。変位凸部７１はＹ軸正方向に突出し、変位凸部７２はＹ軸負方向に突出している。なお、本実施形態では、変位凸部７１および７２はそれぞれ４つずつ設けられているが、これに限らず、任意の数の変位凸部を設けてもよい。

　また、図２１（ａ）に示すように、枠状構造体８０には、枠状構造体７０の変位凸部に対応する固定凸部が設けられている。より詳しくは、固定内面８０ａの、変位凸部７１に対向する位置には、固定凸部８１（第１の固定凸部）が設けられ、固定内面８０ｂの、変位凸部７２に対向する位置には、固定凸部８２（第２の固定凸部）が設けられている。固定凸部８１はＹ軸負方向に突出し、固定凸部８２はＹ軸正方向に突出している。

　本実施形態では、変位凸部７１，７２の頂面が第１の発電面を構成し、固定凸部８１，８２の頂面が第２の発電面を構成している。

　変位凸部７１の頂面と固定凸部８１の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方にはエレクトレット材料層が設けられ、他方には対向電極層が設けられている。本実施形態では、変位凸部７１の頂面にエレクトレット材料層７５がエレクトレット電極層（図示せず）を介して設けられている。

　固定凸部８１の頂面には、対向電極層８５が設けられている。この対向電極層８５は、枠状構造体８０上に形成された配線を介してパッドＰ１に電気的に接続されている。

　変位凸部７２の頂面と固定凸部８２の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方にはエレクトレット材料層が設けられ、他方には対向電極層が設けられている。本実施形態では、変位凸部７２の頂面にエレクトレット材料層７６がエレクトレット電極層（図示せず）を介して設けられている。

　固定凸部８２の頂面には、対向電極層８６が設けられている。この対向電極層８６は、枠状構造体８０上に形成された配線を介してパッドＰ２に電気的に接続されている。

　なお、エレクトレット材料層７５，７６は、本実施形態では正に帯電しているが、負に帯電したものであってもよい。

　パッドＰ１，Ｐ２は、前述の発電装置１００において、発電回路２に電気的に接続されることになる。エレクトレット材料層７５と変位外面７０ｂ１との間、およびエレクトレット材料層７６と変位外面７０ｂ２との間に設けられるエレクトレット電極層は、弾性変形体９１～９４（後述）上に形成された配線（図示せず）を介して発電回路２に電気的に接続される。

　図２１（ａ）に示すように、枠状構造体８０にはストッパ突起８９が設けられている。より詳しくは、枠状構造体８０の固定内面８０ｃ，８０ｄ（内側面）には、枠状構造体７０に向かって突出するストッパ突起８９が設けられている。枠状構造体７０が変位していない状態において、ストッパ突起８９と枠状構造体７０との間には所定の空隙寸法が確保されている。この空隙寸法は、枠状構造体７０が弾性変形体９５～９８に破損を生じる程まで過度にＸ軸方向に変位することを抑制しうる寸法に設定されている。

　なお、固定内面８０ａ，８０ｂに、枠状構造体７０に向かってストッパ突起（図示せず）が設けられてもよい。例えば、空隙寸法は、枠状構造体７０がＹ軸方向に変位することにより、対向するエレクトレット材料層と対向電極層とが接触してショートすることを回避しうる寸法に設定されてもよい。この場合、枠状構造体７０がＹ軸正方向に変位したときに、エレクトレット材料層７５と対向電極層８５とが接触しないように空隙寸法が設定される。

　次に、板状構造体６０、枠状構造体７０および枠状構造体８０間の接続について説明する。

　図２１（ａ）に示すように、発電素子１Ｐは、板状構造体６０と枠状構造体７０とを接続する弾性変形体９１，９２，９３，９４と、枠状構造体７０と枠状構造体８０とを接続する弾性変形体９５，９６，９７，９８とをさらに備えている。弾性変形体９１～９８は、細長い線状構造体によって構成されており、図２１（ｂ）に示すように、板状構造体６０および枠状構造体７０，８０の厚みよりも薄い。

　枠状構造体７０の内側の変位支持点ａ１１～ａ１４と、板状構造体６０の変位支持点ａ２１～ａ２４とは、それぞれ１対１に対応しており、対応する変位支持点ａ１１～ａ１４と変位支持点ａ２１～ａ２４とがそれぞれ個別の弾性変形体９１～９４によって接続されている。すなわち、変位支持点ａ１１と変位支持点ａ２１とが弾性変形体９１によって接続され、変位支持点ａ１２と変位支持点ａ２２とが弾性変形体９２によって接続され、変位支持点ａ１３と変位支持点ａ２３とが弾性変形体９３によって接続され、変位支持点ａ１４と変位支持点ａ２４とが弾性変形体９４によって接続されている。

　枠状構造体７０の外側の変位支持点ａ３１～ａ３４と、枠状構造体８０の固定支持点ｂ１１～ｂ１４とは、それぞれ１対１に対応しており、対応する変位支持点ａ３１～ａ３４と固定支持点ｂ１１～ｂ１４とがそれぞれ個別の弾性変形体９５～９８によって接続されている。すなわち、変位支持点ａ３１と固定支持点ｂ１１とが弾性変形体９５によって接続され、変位支持点ａ３２と固定支持点ｂ１２とが弾性変形体９６によって接続され、変位支持点ａ３３と固定支持点ｂ１３とが弾性変形体９７によって接続され、変位支持点ａ３４と固定支持点ｂ１４とが弾性変形体９８によって接続されている。

　上記のように、板状構造体６０および枠状構造体７０が弾性変形体９１～９４により接続され、枠状構造体７０および枠状構造体８０が弾性変形体９５～９８により接続されることで、板状構造体６０および枠状構造体７０は、発電素子１Ｐに振動エネルギーが与えられたときにＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸の全ての方向に変位することが可能である。

　なお、板状構造体６０および／または枠状構造体７０は、枠状構造体８０に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうち少なくとも２方向に変位可能であるように構成されていてもよい。

　弾性変形体９１～９８は、図２１（ａ）に示すような線状構造体から構成される場合に限られず、様々な形態をとることが可能である。例えば、弾性変形体９１～９８は、湾曲または屈曲した細長い線状構造体によって構成されてもよい。このように湾曲または屈曲した形状とすることで、弾性変形体が弾性変形し易くなり、ばね定数を小さくすることができる。これにより、共振周波数を低周波数の外部振動（環境振動等）に合わせることができる。

　ここで、図２３を参照して、枠状構造体７０の共振周波数を調整するための具体的な方法について説明する。図２３に示すように、共振周波数ｆｒの調整方法は、弾性変形体の形状や材質を変える方法（すなわち、バネ定数を変える方法）と、変位部材の質量を変える方法とに大別される。

　前者のバネ定数を変える方法では、弾性変形体の厚みｔ（Ｚ軸方向の寸法）、幅ｗ、長さＬ、材質（ヤング率Ｅ）を変える。弾性変形体の厚みｔを薄くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、厚みｔを厚くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。また、弾性変形体の幅ｗを狭くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、幅ｗを広くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。弾性変形体の長さＬを長くすれば、共振周波数ｆｒは低くなり、長さＬを短くすれば、共振周波数ｆｒは高くなる。また、弾性変形体の材質を柔らかくすれば（すなわち、ヤング率Ｅを小さくすれば）共振周波数ｆｒは低くなり、材質を硬くすれば（すなわち、ヤング率Ｅを大きくすれば）共振周波数ｆｒは高くなる。

　後者の変位部材の質量を変える方法では、変位部材（すなわち、板状構造体６０および枠状構造体７０）のサイズまたは材質（比重）を変える。いずれの場合も、質量ｍを大きくすると共振周波数ｆｒは低くなり、質量ｍを小さくすると共振周波数ｆｒは高くなる。

　なお、所望の共振周波数を得るために、弾性変形体の形状や材質を変える前者の方法と、変位部材の質量を変える後者の方法とを組み合わせてもよい。

　次に、本実施形態に係る発電素子１Ｐの動作について説明する。

　変位していない枠状構造体７０にＸ軸方向の力が作用すると、変位凸部７１（エレクトレット材料層７５）と固定凸部８１（対向電極層８５）間の投影重なり面積、および、変位凸部７２（エレクトレット材料層７６）と固定凸部８２（対向電極層８６）間の投影重なり面積はいずれも減少する。このため、対向電極層８５および８６に静電誘導される電荷は減少する。その結果、パッドＰ１およびＰ２から発電素子１Ｐの外部に電荷が放出される。

　Ｘ軸方向に変位している枠状構造体７０が弾性変形体の復元力を受けて原点Ｏに戻ろうとするとき、変位凸部７１と固定凸部８１間の投影重なり面積、および変位凸部７２と固定凸部８２間の投影重なり面積はいずれも増加する。このため、対向電極層８５および８６に誘導される電荷は増加する。その結果、パッドＰ１およびＰ２から発電素子１Ｐの内部に電荷が取り込まれる。

　このようにして、枠状構造体７０がＸ軸方向に振動する際、パッドＰ１，Ｐ２から投影重なり面積の変動に基づく電力を取り出すことができる。

　投影重なり面積の変動による発電は、枠状構造体７０がＺ軸方向に振動する際にも行われる。より詳しくは、変位していない枠状構造体７０がＺ軸正方向またはＺ軸負方向に変位する場合、図２２から分かるように、エレクトレット材料層７５と対向電極層８５との間の投影重なり面積、およびエレクトレット材料層７６と対向電極層８６との間の投影重なり面積は減少する。したがって、対向電極層８５および８６（すなわち、Ｐ１およびＰ２）から電荷が放出される。その後、弾性変形体の復元力により枠状構造体７０が原点Ｏに戻る際には、いずれの重なり面積も増大するため、対向電極層８５および８６（すなわち、Ｐ１およびＰ２）に電荷が取り込まれる。このようにして、枠状構造体７０がＺ軸方向に振動する際にも、投影重なり面積の変動による発電は行われる。

　さらに、枠状構造体７０がＹ軸方向に振動する際、パッドＰ１，Ｐ２から、層間距離の変動に基づく電力を取り出すこともできる。より詳しくは、変位していない枠状構造体７０にＹ軸正方向の力が作用すると、変位凸部７１と固定凸部８１間の層間距離は短くなり、変位凸部７２と固定凸部８２間の層間距離は長くなる。このため、対向電極層８５に誘導される電荷は増加し、対向電極層８６に誘導される電荷は減少する。その結果、パッドＰ１から発電素子１Ｐの内部に電荷が取り込まれ、パッドＰ２から発電素子１Ｐの外部に電荷が放出される。反対に、Ｙ軸負方向の力が枠状構造体７０に作用すると、対向電極層８５に誘導される電荷は減少し、対向電極層８６に誘導される電荷は増加する。その結果、パッドＰ１から発電素子１Ｐの外部に電荷が放出され、パッドＰ２から発電素子１Ｐの内部に電荷が取り込まれる。このようにして、枠状構造体７０がＹ軸方向に振動する際には、層間距離の変動による発電が行われる。

　以上説明したように、第６の実施形態に係る発電素子１Ｐは、枠状構造体７０がＸ軸またはＺ軸方向に振動する際、投影重なり面積の変動に基づく発電を行い、枠状構造体７０がＹ軸方向に振動する際は層間距離の変動に基づく発電を行う。このように、本実施形態によれば、様々な方向の外部振動を利用して効率的な発電を行うことができる。

　第６の実施形態では、第１の実施形態と同様に２自由度振動系が形成されているため、発電周波数帯域を拡大することができる。その結果、外部振動を効率良く電気エネルギーに変換することができる。

　本実施形態では、図２１（ａ）に示すように、変位凸部７１と固定凸部８１のペア、および変位凸部７２と固定凸部８２のペアがそれぞれ複数組（４組）設けられている。これにより、枠状構造体７０がＸ軸またはＹ軸方向に振動する際の発電量を、ペア数が１組の場合に比べて４倍に増やすことができる。なお、ペア数は４組に限らず、任意の複数組であってもよい。

　なお、エレクトレット材料層７５は、変位凸部７１の表面のうち、少なくとも頂面に設けられていればよいが、変位外面７０ｂ１の全面にわたって形成されてもよい。エレクトレット材料層７６についても同様である。

　また、エレクトレット材料層と対向電極層の配置を交換してもよい。すなわち、枠状構造体７０の変位外面７０ｂ１および７０ｂ２に対向電極層を形成し、枠状構造体８０の固定内面８０ａおよび８０ｂにエレクトレット電極層とエレクトレット材料層をこの順に形成してもよい。

　また、対向電極層８５は、固定凸部８１の表面のうち、少なくとも頂面に設けられていればよいが、図２１（ａ）に示すように、固定凸部８１の頂面だけでなく、固定凸部８１の側面にも形成されてよい。固定凸部８１の側面に形成された対向電極層８５は配線として機能する。また、図２１（ａ）に示すように、隣り合う固定凸部８１の側面に形成された対向電極層同士を電気的に接続するために、固定内面８０ａに対向電極層が形成されてもよい。対向電極層８６についても同様である。

　また、接続外面７０ｂ３，７０ｂ４に変位凸部（図示せず）が設けられてもよい。この場合、変位凸部に対向する固定凸部が固定内面８０ｃ，８０ｄに設けられる。これにより、枠状構造体７０のＸ軸方向の振動によって層間距離の変動による発電を行い、枠状構造体７０のＹ軸方向の振動によって投影重なり面積の変動による発電を行うことができる。

　なお、枠状構造体７０および８０の形状は上記に限られるものではなく、円環状など他の枠形状であってもよい。

＜発電素子の製造方法＞
　ここで、発電素子１Ｐの製造方法の一例についてその概略を説明する。

　まず、シリコン基板等の半導体基板を準備する。半導体基板の厚みは、例えば３００μｍである。次に、フォトリソグラフィ技術を用いて半導体基板を所望の形状に加工する。各部位の寸法は、例えば、板状構造体６０の一辺の長さが３～７ｍｍ、変位凸部７１，７２の幅が１００～２００μｍ、高さが５０～１００μｍである。弾性変形体９１～９４のサイズは、例えば、幅が１００μｍ、厚みが３０μｍ、長さが１ｍｍ程度である。弾性変形体９５～９８のサイズは、例えば、幅が５０～１００μｍ、厚みが３０μｍ、長さが１～２ｍｍ程度である。

　なお、半導体基板として、表面Ｓｉ層と、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ）層と、Ｓｉ基板とを有するＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）を用いてもよい。ＳＯＩ基板を用いる場合、弾性変形体９１～９８は、表面Ｓｉ層のみ、あるいは、表面Ｓｉ層とＢＯＸ層から構成される。ＳＯＩ基板を用いる場合はＢＯＸ層をエッチングストッパーとして利用できるため、エッチング工程を容易に行うことができる。

　半導体基板を所望の形状に加工した後、アルミニウムまたは銅等の導体からなるエレクトレット電極層を、枠状構造体７０の変位外面７０ｂ１，７０ｂ２に形成する。形成手法は、例えば、スパッタリング等のＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いる。

　次に、枠状構造体７０の側面に形成されたエレクトレット電極層の上に、エレクトレット材料層７５，７６を形成する。例えば、アルカリ混入酸化により、アルカリイオン（例えばカリウムイオン）を含有する酸化膜を形成し、ヒータで加熱しながら酸化膜に電圧を印加する分極処理を行うことにより、エレクトレット材料層７５，７６を形成する。別の方法として、個別に用意されたエレクトレット材料層をエレクトレット電極層上に接着剤等で貼着してもよい。

　次に、アルミニウムまたは銅等の導体からなる対向電極層８５，８６を、枠状構造体８０の固定内面８０ａ，８０ｂにそれぞれ形成する。また、枠状構造体８０の上にパッドＰ１，Ｐ２と、パッドＰ１，Ｐ２と対向電極層８５，８６とをそれぞれ電気的に接続する配線とを形成する。形成手法は、例えば、スパッタリング等のＰＶＤ法を用いる。なお、エレクトレット電極層を形成する際に対向電極層８５，８６およびパッドＰ１，Ｐ２等を一緒に形成してもよい。

　上記の工程を経て、発電素子１Ｐが作製される。以降に説明する実施形態および変形例に係る発電素子も同様の方法により作製される。

　次に、本実施形態に係る変形例について説明する。いずれの変形例も第６の実施形態と同様の効果を得ることができる。

　＜第６の実施形態の変形例＞
　第６の実施形態の変形例について図２４を参照して説明する。図２４は、本変形例に係る発電素子１Ｑの断面図である。

　低周波数成分を比較的多く含む環境振動に対して発電効率を向上させるために、弾性変形体のばね定数を下げて共振周波数を低下させることが考えられる。しかし、弾性変形体の機械的強度が低下することから、発電素子の製造工程あるいは使用時において弾性変形体が破損し易くなるという問題がある。そこで、本変形例では、板状構造体６０に重錘体６９を設ける。

　より詳しくは、本変形例に係る発電素子１Ｑでは、図２４に示すように、板状構造体６０の上面に重錘体６９が接合されている。この重錘体６９の材質は特に限定されず、例えば、シリコン等の半導体、樹脂等の絶縁体、あるいは金属であってもよい。重錘体６９と板状構造体６０との接合方法は特に限定されず、接着剤による接着でもよいし、半導体基板（ウェハー）同士の直接接合であってもよい。

　上記のように板状構造体６０に重錘体６９を設けることで、変位部材（板状構造体６０、枠状構造体７０）の質量は見かけ上増加する。このため、弾性変形体の強度を落とすことなく、板状構造体６０の共振周波数および枠状構造体７０の共振周波数を下げることができる。その結果、低周波数成分を多く含む環境振動下において、発電素子の発電効率を高めることができる。

　なお、重錘体６９は、板状構造体６０の下面に接合されてもよいし、あるいは、板状構造体６０の上面および下面の両面に接合されてもよい。

　また、枠状構造体７０の上面および／または下面に重錘体を設けてもよい。

（第７の実施形態）
　第７の実施形態に係る発電素子１Ｒについて、図２５および図２６を参照して説明する。図２５は本実施形態に係る発電素子１Ｒの平面図であり、図２６は図２５のＩ－Ｉ線に沿う断面図である。

　本実施形態に係る発電素子１Ｒは、枠状構造体７０の変位だけでなく、板状構造体６０の変位も利用して発電を行う。以下、第６の実施形態との相違点を中心に第７の実施形態について説明する。

　発電素子１Ｒは、図２５および図２６に示すように、板状構造体６０と、枠状構造体７０と、底部８３を有する枠状構造体８０とを備えている。

　板状構造体６０は、第１の発電面を構成する変位面６０ａおよび６０ｂを有する。変位面６０ａには、Ｙ軸正方向に突出する変位凸部６１が設けられ、変位面６０ｂには、Ｙ軸負方向に突出する変位凸部６２が設けられている。なお、本実施形態では、変位凸部６１および６２はそれぞれ２つずつ設けられているが、これに限らず、任意の数の変位凸部を設けてもよい。

　枠状構造体８０は、板状構造体６０の変位面６０ａに対向し、第２の発電面を構成する側面を有する柱部７７と、変位面６０ｂに対向し、第２の発電面を構成する側面を有する柱部７８とを有する。図２６に示すように、柱部７７および７８は、枠状構造体８０の底部８３に突設されている。

　柱部７７の上面にはパッドＰ３が形成され、柱部７８の上面にはパッドＰ４が形成されている。パッドＰ３，Ｐ４は、前述の発電装置１００の発電回路２に電気的に接続される。

　変位凸部６１，６２の頂面と柱部７７，７８の側面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方にはエレクトレット材料層が設けられ、他方には対向電極層が設けられている。本実施形態では、変位凸部６１の頂面にエレクトレット材料層６５がエレクトレット電極層（図示せず）を介して設けられ、変位凸部６２の頂面にエレクトレット材料層６６がエレクトレット電極層（図示せず）を介して設けられている。なお、エレクトレット材料層６５，６６は、本実施形態では正に帯電しているが、負に帯電したものであってもよい。

　柱部７７の側面には対向電極層８７が設けられている。この対向電極層８７は、柱部７７に形成された配線を介してパッドＰ３に電気的に接続されている。また、柱部７８の側面には対向電極層８８が設けられている。この対向電極層８８は、柱部７８に形成された配線を介してパッドＰ４に電気的に接続されている。

　次に、本実施形態に係る発電素子１Ｒの動作について説明する。枠状構造体７０と枠状構造体８０間の発電動作は、第６の実施形態と同じなので説明を省略し、板状構造体６０と枠状構造体７０間の発電動作について説明する。

　変位していない板状構造体６０にＸ軸方向の力が作用すると、変位凸部６１（エレクトレット材料層６５）と柱部７７（対向電極層８７）間の投影重なり面積、および、変位凸部６２（エレクトレット材料層６６）と柱部７８（対向電極層８８）間の投影重なり面積はいずれも減少する。このため、対向電極層８７および８８に誘導される電荷は減少する。その結果、パッドＰ３およびＰ４から発電素子１Ｒの外部に電荷が放出される。

　Ｘ軸方向に変位している板状構造体６０が弾性変形体の復元力を受けて原点Ｏに戻ろうとするとき、変位凸部６１と柱部７７間の投影重なり面積、および変位凸部６２と柱部７８間の投影重なり面積はいずれも増加する。このため、対向電極層８７および８８に誘導される電荷は増加する。その結果、パッドＰ３およびＰ４から発電素子１Ｒの内部に電荷が取り込まれる。

　このようにして、板状構造体６０がＸ軸方向に振動する際、パッドＰ３，Ｐ４から投影重なり面積の変動に基づく電力を取り出すことができる。

　投影重なり面積の変動による発電は、板状構造体６０がＺ軸方向に振動する際にも行われる。より詳しくは、変位していない板状構造体６０がＺ軸正方向またはＺ軸負方向に変位する場合、図２６から分かるように、エレクトレット材料層６５と対向電極層８７との間の重なり面積、およびエレクトレット材料層６６と対向電極層８８との間の重なり面積は減少する。したがって、対向電極層８７および８８（すなわち、Ｐ３およびＰ４）から電荷が放出される。その後、板状構造体６０が弾性変形体の復元力により原点Ｏに戻る際には、いずれの重なり面積も増大するため、対向電極層８７および８８（すなわち、Ｐ３およびＰ４）に電荷が取り込まれる。

　また、板状構造体６０がＹ軸方向に振動する際、パッドＰ３，Ｐ４から、層間距離の変動に基づく電力を取り出すこともできる。より詳しくは、変位していない板状構造体６０にＹ軸正方向の力が作用すると、変位凸部６１と柱部７７間の層間距離は短くなり、変位凸部６２と柱部７８間の層間距離は長くなる。このため、対向電極層８７に誘導される電荷は増加し、対向電極層８８に誘導される電荷は減少する。その結果、パッドＰ３から発電素子１Ｒの内部に電荷が取り込まれ、パッドＰ４から発電素子１Ｒの外部に電荷が放出される。反対に、Ｙ軸負方向の力が板状構造体６０に作用すると、対向電極層８７に誘導される電荷は減少し、対向電極層８８に誘導される電荷は増加する。その結果、パッドＰ３から発電素子１Ｒの外部に電荷が放出され、パッドＰ４から発電素子１Ｒの内部に電荷が取り込まれる。

　以上説明したように、第７の実施形態に係る発電素子１Ｒは、枠状構造体７０の振動による発電に加えて、板状構造体６０の振動による発電も行うことができる。板状構造体６０がＸ軸またはＺ軸方向に振動する際、投影重なり面積の変動に基づく発電を行い、板状構造体６０がＹ軸方向に振動する際は層間距離の変動に基づく発電を行う。枠状構造体７０がＸ軸またはＺ軸方向に振動する際、投影重なり面積の変動に基づく発電を行い、枠状構造体７０がＹ軸方向に振動する際は層間距離の変動に基づく発電を行う。すなわち、板状構造体６０および枠状構造体７０の両者で３軸方向の変位による発電を行うことができる。よって、本実施形態によれば、さらに効率的な発電を行うことができる。

　また、第７の実施形態では、第６の実施形態と同様に２自由度振動系が形成されているため、発電周波数帯域を拡大することができる。その結果、外部振動を効率良く電気エネルギーに変換することができる。

　なお、板状構造体６０が弾性変形体９１～９４に破損を生じる程まで過度に変位することを抑制するため、あるいは、対向するエレクトレット材料層６５，６６と対向電極層８７，８８とが接触してショートすることを回避するために、第６の実施形態で説明したストッパ突起８９と同様の突起を設けてもよい。例えば、枠状構造体７０の接続内面７０ａ３，７０ａ４に、板状構造体６０に向かって突出するストッパ突起（図示せず）を設けてもよい。

　また、エレクトレット材料層６５は、変位凸部６１の表面のうち、少なくとも頂面に設けられていればよいが、変位面６０ａの全面にわたって形成されてもよい。エレクトレット材料層６６についても同様である。

　また、エレクトレット材料層と対向電極層の配置を交換してもよい。すなわち、板状構造体６０の変位面６０ａおよび６０ｂに対向電極層を形成し、柱部７７および７８の側面にエレクトレット電極層とエレクトレット材料層をこの順に形成してもよい。

　また、変位面６０ｃ，６０ｄに変位凸部（図示せず）が設けられてもよい。この場合、変位凸部に対向する固定凸部が接続内面７０ａ３，７０ａ４に設けられる。

　上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容及びその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更及び部分的削除が可能である。

１　発電素子
２　発電回路
１０，２０，２５　変位部材
１０ａ，１０ｂ，２０ａ，２０ｂ　変位面
１０ｃ，２０ｃ　接続面
１１，２１　エレクトレット電極層
１２，２２　エレクトレット材料層
３０　固定部材
３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ　固定内面
３０ｆ　対向面
３１，３２　対向電極層
４１，４２，４３，４５　弾性変形体
５１，５２，５３，５９　取付部
６０　板状構造体
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄ　変位面
６１，６２，７１，７２　変位凸部
６５，６６，７５，７６　エレクトレット材料層
６９　重錘体
７０，８０　枠状構造体
７０ａ１，７０ａ２　変位内面
７０ａ３，７０ａ４　接続内面
７０ｂ１，７０ｂ２　変位外面
７０ｂ３，７０ｂ４　接続外面
７７，７８　柱部
８０ａ，８０ｂ，８０ｃ，８０ｄ　固定内面
８１，８２　固定凸部
８３　底部
８５，８６，８７，８８　対向電極層
８９　ストッパ突起
９１，９２，９３，９４，９５，９６，９７，９８　弾性変形体
１００　発電装置
ａ１，ａ２，ａ３，ａ４　変位支持点
ａ１１，ａ１２，ａ１３，ａ１４　変位支持点
ａ２１，ａ２２，ａ２３，ａ２４　変位支持点
ａ３１，ａ３２，ａ３３，ａ３４　変位支持点
ｂ１，ｂ２　固定支持点
ｂ１１，ｂ１２，ｂ１３，ｂ１４　固定支持点
ｄ１，ｄ２，ｄ３　層間距離
Ｃ　平滑コンデンサ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４　ダイオード
Ｏ　原点
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４　パッド
ＲＬ　負荷
Ｓ　基準平面
Ｔ１，Ｔ２　出力端子

Claims

　第１の変位部材、第２の変位部材および固定部材を備える発電素子であって、
　前記第１の変位部材と前記第２の変位部材は、第１の弾性変形体を介して接続され、
　前記第１の変位部材は、第２の弾性変形体を介して取付部に接続され、
　前記第１の変位部材および／または前記第２の変位部材は、第１の発電面を有し、前記固定部材は、前記第１の発電面に対向する第２の発電面を有し、
　前記第１の発電面および前記第２の発電面のうち、一方の面にはエレクトレット材料層が設けられ、他方の面には対向電極層が設けられていることを特徴とする発電素子。
　前記第２の変位部材は、前記第１の変位部材の外部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
　前記第１の変位部材は、
　前記第２の変位部材側に向いた第１の変位面と、
　前記第１の変位面と反対側の第２の変位面と、
　前記第１の変位面と前記第２の変位面とを接続する第１の接続面と、を有し、
　前記第２の変位部材は、
　前記第１の変位面に対向する第３の変位面と、
　前記第３の変位面と反対側の第４の変位面と、
　前記第３の変位面と前記第４の変位面とを接続する第２の接続面と、を有することを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
　前記第１の接続面または前記第２の接続面は、前記第１の発電面を構成し、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の投影重なり面積が変動することを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
　前記第１の接続面および前記第２の接続面の両方が、前記第１の発電面を構成し、
　前記第１の接続面には第１のエレクトレット材料層が設けられ、前記第２の接続面には第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層と、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層とが設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の第１の投影重なり面積、および前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の第２の投影重なり面積が変動することを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
　前記第２の変位面または前記第４の変位面は、前記第１の発電面を構成し、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動することを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
　前記第２の変位面および前記第４の変位面の両方が、前記第１の発電面を構成し、
　前記第４の変位面には第１のエレクトレット材料層が設けられ、前記第２の変位面には第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層と、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層とが設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の第１の層間距離、および前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の第２の層間距離が変動することを特徴とする請求項３に記載の発電素子。
　前記第２の変位部材は、前記取付部に対向する第２の取付部に第３の弾性変形体を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の発電素子。
　前記第２の変位部材は、前記第１の変位部材の内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の発電素子。
　前記第１の変位部材は、
　第１の変位内面と、
　前記第１の変位内面に対向する第２の変位内面と、
　前記第１の変位内面と前記第２の変位内面とを接続する接続内面と、
　前記第１の変位内面と反対側の第１の変位外面と、
　前記第２の変位内面と反対側の第２の変位外面と、
　前記第１の変位外面と前記第２の変位外面とを接続する接続外面と、を有し、
　前記第２の変位部材は、
　前記第１の変位内面に対向する第１の変位面と、
　前記第２の変位内面に対向する第２の変位面と、
　前記第１の変位面と前記第２の変位面とを接続する接続面と、を有することを特徴とする請求項９に記載の発電素子。
　前記接続外面には、第１のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第１のエレクトレット材料層と前記第１の対向電極層との間の投影重なり面積が変動することを特徴とする請求項１０に記載の発電素子。
　前記接続面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記接続内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の投影重なり面積が変動することを特徴とする請求項１１に記載の発電素子。
　前記第２の変位面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の変位内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の層間距離が変動することを特徴とする請求項１１に記載の発電素子。
　前記第１の変位外面または前記第２の変位外面には、第１のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の発電面には、前記第１のエレクトレット材料層に対応する第１の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記エレクトレット材料層と前記対向電極層との間の層間距離が変動することを特徴とする請求項１０に記載の発電素子。
　前記第２の変位面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記第２の変位内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の層間距離が変動することを特徴とする請求項１４に記載の発電素子。
　前記接続面には、第２のエレクトレット材料層が設けられ、
　前記接続内面には、前記第２のエレクトレット材料層に対応する第２の対向電極層が設けられ、
　前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２のエレクトレット材料層と前記第２の対向電極層との間の投影重なり面積が変動することを特徴とする請求項１４に記載の発電素子。
　前記第１の変位部材の内部に配置され、第３の弾性変形体を介して前記第１の変位部材に接続された第３の変位部材をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の発電素子。
　前記第１の変位部材は、前記第２の変位部材を取り囲む第１の枠状構造体として構成され、
　前記第２の変位部材は、板状構造体により構成され、
　前記固定部材は、前記第１の枠状構造体を取り囲む第２の枠状構造体として構成されていることを特徴とする請求項９に記載の発電素子。
　前記第１の枠状構造体は、
　第１の変位内面と、
　前記第１の変位内面に対向する第２の変位内面と、
　前記第１の変位内面と前記第２の変位内面とを接続する接続内面と、
　前記第１の変位内面と反対側の第１の変位外面と、
　前記第２の変位内面と反対側の第２の変位外面と、
　前記第１の変位外面と前記第２の変位外面とを接続する接続外面と、を有し、
　前記第２の枠状構造体は、
　前記第１の変位外面に対向する第１の固定内面と、
　前記第２の変位外面に対向する第２の固定内面と、を有することを特徴とする請求項１８に記載の発電素子。
　前記第１の変位外面には、第１の変位凸部が設けられ、
　前記第２の変位外面には、第２の変位凸部が設けられ、
　前記第１の固定内面の、前記第１の変位凸部に対向する位置には、第１の固定凸部が設けられ、
　前記第２の固定内面の、前記第２の変位凸部に対向する位置には、第２の固定凸部が設けられ、
　前記第１の変位凸部の頂面と前記第１の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第１のエレクトレット材料層が設けられ、他方には第１の対向電極層が設けられ、
　前記第２の変位凸部の頂面と前記第２の固定凸部の頂面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方には第２のエレクトレット材料層が設けられ、他方には第２の対向電極層が設けられていることを特徴とする請求項１９に記載の発電素子。
　前記板状構造体の４つの角部の各々には、第１の変位支持点が設けられ、
　前記第１の枠状構造体の４つの内側角部の各々には、第２の変位支持点が設けられ、前記第１の枠状構造体の４つの外側角部の各々には、第３の変位支持点が設けられ、
　前記第２の枠状構造体の４つの内側角部の各々には、固定支持点が設けられ、
　前記第１の変位支持点と前記第２の変位支持点とは、それぞれ１対１に対応し、対応する第１の変位支持点と第２の変位支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続され、
　前記第３の変位支持点と前記固定支持点とは、それぞれ１対１に対応し、対応する第３の変位支持点と固定支持点とがそれぞれ個別の弾性変形体によって接続されていることを特徴とする請求項１８～２０のいずれかに記載の発電素子。
　前記板状構造体は、前記第１の発電面を構成する変位面を有し、
　前記第２の枠状構造体は、前記板状構造体の前記変位面に対向し、前記第２の発電面を構成する側面を有する柱部を有することを特徴とする請求項１８～２１のいずれかに記載の発電素子。
　前記板状構造体の前記変位面には変位凸部が設けられ、
　前記変位凸部の頂面と前記柱部の側面とは互いに対向しており、これら対向面のうち、一方にはエレクトレット材料層が設けられ、他方には対向電極層が設けられていることを特徴とする請求項２２に記載の発電素子。
　前記板状構造体の上面および／または下面に、重錘体が接合されていることを特徴とする請求項１８～２３のいずれかに記載の発電素子。
　前記板状構造体および／または前記第１の枠状構造体は、前記発電素子に振動エネルギーが与えられると、前記第２の枠状構造体に対して固定されたＸＹＺ三次元直交座標系のＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のうち少なくとも２方向に変位可能であるように構成されていることを特徴とする請求項１８～２４のいずれかに記載の発電素子。
　前記第２の枠状構造体の内側面には、前記第１の枠状構造体に向かって突出するストッパ突起が設けられており、前記第１の枠状構造体が変位していない状態において、前記ストッパ突起と前記第１の枠状構造体との間には所定の空隙寸法が確保されていることを特徴とする請求項１８～２５のいずれかに記載の発電素子。
　前記エレクトレット材料層の下層にエレクトレット電極層が設けられた、請求項１～２６のいずれかに記載の発電素子と、
　前記対向電極層と前記エレクトレット電極層との間に生じる電圧に基づいて電力を生成する発電回路と、
　を備えることを特徴とする発電装置。