JP2018191481A - 振動発電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発電量を向上させる振動発電素子を提供する。【解決手段】本発明の振動発電素子は、一端（Ｅ１）を固定部（１７）に固定し、他端（Ｅ２）を自由端とする片持ち構造で支持された第１電極（１１）と、前記第１電極に対向すると共に、一端（Ｅ３）を前記固定部（１７）に固定し、他端（Ｅ４）を自由端とする片持ち構造で支持された第２電極（１４）と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるエレクトレット（１２）と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される絶縁層（１３）と、前記第２電極側に向かう前記第１電極の動きを規制することによって、前記エレクトレットと前記絶縁層とを介して前記第１電極に接触している前記第２電極を、前記第１電極から剥離するストッパ（１６）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、エレクトレットを用いた振動発電素子に関する。

近年、振動エネルギーを利用して発電を行う振動発電素子が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。

非特許文献１では、誘電体が設けられた板状の上部電極と、エレクトレットが設けられた板状の下部電極とを上下方向に振動させて発電を行う振動発電素子が開示されている。非特許文献１の振動発電素子においては、上部電極と下部電極とが誘電体とエレクトレットを介して面接触と剥離とを繰り返すことによって発電を行っている。

また、振動エネルギーを利用して発電を行う技術としては、例えば、特許文献１及び特許文献２などを挙げることができる。

特開２０１４−１０７９８２号公報 特開２００５−０６５４６３号公報

Tomokazu Takahashi, Masato Suzuki, Toshio Nishida, Yasuhiro Yoshikawa, Seiji Aoyagi "VERTICAL CAPACITIVE ENERGY HARVESTER POSITIVELY USING CONTACT BETWEEN PROOF MASS AND ELECTRET PLATE -STIFFNESS MACTHING BY SPRING SUPPORT OF PLATE AND STICTION PREVENTION BY STOPPER MECHANISM-", MEMS 2015, Estoril, PORTUGAL, 15-22 January, 2015, p.1145-1148

しかしながら、非特許文献１などに挙げられた振動発電素子では、発電量を向上させるといった点で改善の余地がある。

本発明は、発電量を向上させることができる振動発電素子を提供することを目的とする。

本発明の一態様の振動発電素子は、
一端を固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第１電極と、
前記第１電極に対向すると共に、一端を前記固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるエレクトレットと、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置される絶縁層と、
前記第２電極側に向かう前記第１電極の動きを規制することによって、前記エレクトレットと前記絶縁層とを介して前記第１電極に接触している前記第２電極を、前記第１電極から剥離するストッパと、
を備える。

本発明によれば、発電量を向上させることができる振動発電素子を提供することができる。

本発明に係る実施の形態の振動発電素子の斜視図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の側面断面図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の平面図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の動作の一例を示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の動作の一例を示す側面断面図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の動作の一例を示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の動作の一例を示す側面断面図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子における電極の位置と出力電圧との関係の一例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子を複数の区間に分割した場合における第１電極と第２電極との剥離状況の一例を示す図である。 図７Ａに示す各区間における出力電圧の波形の例を示す図である。 変形例の第２電極の概略構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の実施例１と比較例１との出力電圧及び瞬間電力の比較結果を示す図である。 本発明に係る実施の形態の振動発電素子の実施例２と比較例２〜５との発電量の比較結果を示す図である。

（本発明に至った経緯）
近年、振動エネルギー（運動エネルギー）を利用して発電を行う振動発電素子が開発されている。例えば、非特許文献１では、対向して配置された板状の上部電極と下部電極とが上下方向（厚み方向）に振動し、誘電体とエレクトレットを介して面接触と剥離とを繰り返すことによって発電を行う振動発電素子が開示されている。

特許文献１には、安定した出力を実現するために、支持部により振動可能に支持された振動部の振幅を振動抑制部材によって抑制する発電装置が開示されている。また、引用文献２には、一方の電極が他方の電極に接触してショートするのを防止するためのストッパが設けられた振動発電用振動子が開示されている。

しかしながら、非特許文献１では、面接触した板状の上部電極と下部電極とを厚み方向に引きはがすため、２つの電極が剥離しにくい。また、特許文献１及び２では、振動子の過剰な振幅を抑制するためにストッパを用いている。このため、非特許文献１、特許文献１及び２では、運動エネルギーのロスが生じ、発電量を向上させることができないという問題がある。

そこで、本発明者らは、上記課題を解決すべく、以下の発明に至った。

本発明の一態様の振動発電素子は、
一端を固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第１電極と、
前記第１電極に対向すると共に、一端を前記固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるエレクトレットと、
前記第１電極と前記第２電極との間に配置される絶縁層と、
前記第２電極側に向かう前記第１電極の動きを規制することによって、前記エレクトレットと前記絶縁層とを介して前記第１電極に接触している前記第２電極を、前記第１電極から剥離するストッパと、
を備える。

このような構成により、エレクトレットと絶縁層とを介して第１電極に接触している第２電極を、第１電極から剥離させることができるため、運動エネルギーの損失を抑制し、発電量を向上させることができる。

前記ストッパは、前記第２電極の前記他端を始点にして前記第１電極から前記第２電極を剥離してもよい。

このような構成により、第２電極の他端（自由端）を始点にして第１電極から第２電極を剥離させることができるため、運動エネルギーの損失を抑制し、発電量を更に向上させることができる。

前記エレクトレットは、前記第１電極と前記第２電極とのうちいずれか一方に接触していてもよい。

このような構成により、エレクトレットが配置されている第１電極又は第２電極と、エレクトレットとが剥離せずに接触した状態を維持することができる。このため、エレクトレット１２に蓄えた電荷が、エレクトレットが配置されている側の第１電極又は第２電極に向けて放電することによって、発電量が低下することを抑制することができる。

前記ストッパは、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向における前記第２電極の前記他端の可動範囲より内側に配置されてもよい。

このような構成により、ストッパによって第２電極を第１電極からより容易に剥離させることができる。

前記第１電極と対向する側の前記第２電極の面の面積は、前記第２電極と対向する側の前記第１電極の面の面積よりも小さくてもよい。

このような構成により、静電引力を低くすることができ、第２電極を第１電極からより容易に剥離することができる。

前記ストッパは、前記第１電極と前記第２電極とが対向する方向から見て、前記第２電極に重ならず、前記第１電極と重なる位置に配置されてもよい。

このような構成により、第２電極を第１電極からより容易に剥離させることができる。

前記ストッパは、前記第１電極の一端から他端に向かって延びる方向に沿って配置されてもよい。

このような構成により、第２電極を第１電極から安定して剥がすことができる。このため、運動エネルギーのロスを小さくすることができ、発電量を更に向上させることができる。

更に、前記第２電極に設けられたおもりを備えてもよい。

このような構成により、運動エネルギーを向上させることができ、発電量を向上させることができる。

前記おもりは、前記第２電極の前記他端に設けられてもよい。

このような構成により、運動エネルギーを更に向上させることができ、発電量を更に向上させることができる。

前記第２電極は、一端で接続されると共に、他端を自由端とする片持ち構造で支持された複数の電極部を有していてもよい。

このような構成により、様々な周波数帯域に応じて、発電を行うことができる。

以下、本発明に係る実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。また、各図においては、説明を容易なものとするため、各要素を誇張して示している。

（実施の形態）
本願発明に係る実施の形態の振動発電素子について説明する。

［全体構成］
図１は、本発明に係る実施の形態の振動発電素子１０の斜視図を示す。図２は、振動発電素子１０の側面断面図を示す。図３は、振動発電素子１０の平面図を示す。なお、図１〜３中のＸ、Ｙ、Ｚ方向は、それぞれ振動発電素子１０の縦方向、横方向、厚み方向を示す。また、図１〜３は、外部振動が加えられていない場合の振動発電素子１０の概略図を示している。図１〜３は、振動発電素子１０の一例を示すものであり、振動発電素子１０の構成はこれらに限定されるものではない。

図１〜３に示すように、振動発電素子１０は、第１電極１１、エレクトレット１２、絶縁層１３、第２電極１４、おもり１５、及びストッパ１６を備える。振動発電素子１０においては、第１電極１１と第２電極１４との一端が、エレクトレット１２及び絶縁層１３を介して固定部１７に固定された二重カンチレバー構造を有する。

＜第１電極＞
図２に示すように、第１電極１１は、一端Ｅ１を固定部１７に固定し、他端Ｅ２を自由端とする片持ち構造で支持されている。第１電極１１は、固定部１７からＹ方向に延在する板状の部材で形成されている。また、第１電極１１は、弾性変形可能な材料で形成されている。第１電極１１は、例えば、銅、アルミニウム、鉄、白金、又はそれらの合金などの材料で形成することができる。実施の形態では、加工のし易さ、コストの観点から、第１電極１１は、矩形形状の銅板で形成されている。

＜エレクトレット＞
エレクトレット１２は、電荷を半永久的に保持する部材である。具体的には、エレクトレット１２は、板状に形成されており、弾性変形可能な部材である。エレクトレット１２としては、サイトップ（登録商標）などの高分子化合物に電荷を保持させた有機エレクトレットを用いてもよい。また、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）、又はシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの基材に電荷を保持させた無機エレクトレットを用いてもよい。

エレクトレット１２は、第１電極１１と第２電極１４との間に配置されている。具体的には、エレクトレット１２は、第１電極１１に配置されており、第２電極１４が配置される側の第１電極１１の面に配置されている。実施の形態では、エレクトレット１２は、第２電極１４が配置される側の第１電極１１の面を覆っている。第２電極１４が配置される側の第１電極１１の面を露出させない構成とすることにより、エレクトレット１２への電荷注入に際して、露出した第１電極１１への電荷流出を抑制することができる。これにより、エレクトレット１２への電荷注入効率を高めることができる。

＜絶縁層＞
絶縁層１３は、第１電極１１と第２電極１４との間に配置されている絶縁部材である。実施の形態では、絶縁層１３は、エレクトレット１２と第２電極１４との間に配置されている。絶縁層１３は、板状又は膜状に形成されており、第１電極１１が配置される側の第２電極１４の面を覆っている。また、絶縁層１３の厚さは、絶縁破壊が生じない範囲で、第１電極１１及び第２電極１４の厚さよりも薄くすることができる。絶縁層１３の厚さを薄くすることにより、電荷の移動量を増加させることができるため、発電量を向上させることができる。なお、絶縁層１３は、第２電極１４の形状に応じて形成される。

絶縁層１３は、弾性変形可能な絶縁材料で形成されている。絶縁層１３は、例えば、エポキシ樹脂、シリコン酸化膜、塩化ビニル、ナイロン、ポリエステルなどの材料で形成することができる。

＜第２電極＞
第２電極１４は、エレクトレット１２と絶縁層１３とを挟んで第１電極１１に対向すると共に、一端Ｅ３を固定部１７に固定し、他端Ｅ４を自由端とする片持ち構造で支持されている。第２電極１４は、固定部１７からＹ方向に延在する板状の部材で形成されている。また、第２電極１４は、弾性変形可能な材料で形成されている。第２電極１４は、例えば、銅、アルミニウム、鉄、白金、又はそれらの合金などの材料で形成することができる。実施の形態では、加工のし易さ、コストの観点から、第１電極１１と同様に、第２電極１４は矩形形状の銅板で形成されている。

第１電極１１と対向する側の第２電極１４の面の面積は、第２電極１４と対向する側の第１電極１１の面の面積よりも小さく形成されている。

＜おもり＞
おもり１５は、外部振動を受けて振動する第２電極１４の運動エネルギーを増大させる部材である。おもり１５は、第２電極１４に設けられている。具体的には、図２に示すように、おもり１５は、第２電極１４の他端Ｅ４に設けられている。

＜ストッパ＞
ストッパ１６は、外部振動により行われる第２電極１４側に向かう第１電極１１の動きを規制する部材である。具体的には、ストッパ１６は、第２電極１４が配置される側に向かって移動する第１電極１１とエレクトレット１２とのＺ方向の動きを規制する。これにより、第１電極１１に接触している第２電極１４を、第２電極１４の他端Ｅ４を始点にして第１電極１１から剥離することができる。即ち、ストッパ１６によって、第１電極１１に接触している第２電極１４を、第２電極１４の他端Ｅ４から一端Ｅ３に向かって徐々に第１電極１１から剥離させることができる。実施の形態では、ストッパ１６は、第２電極１４及び絶縁層１３を、第１電極１１とエレクトレット１２とから剥離させている。

ストッパ１６は、例えば、板状に形成された２つの剛体で形成されている。ストッパ１６は、例えば、アクリル樹脂などの高分子、繊維、ガラス、ゴム、それらのコンポジット材料などの材料で形成することができる。

図２に示すように、ストッパ１６は、第１電極１１の一端Ｅ１から他端Ｅ２に向かって延びる方向、即ちＹ方向に沿って配置されている。また、図３に示すように、ストッパ１６は、第１電極１１と第２電極１４とが対向する方向から見て、即ちＺ方向から見て、第２電極１４に重ならず、第１電極１１と重なるように配置されている。

また、ストッパ１６は、第１電極１１と第２電極１４とが対向する方向における、即ちＺ方向における第２電極１４の他端Ｅ４の可動範囲よりも内側に配置される。言い換えると、ストッパ１６は、外部振動を受けて振動する第２電極１４の他端Ｅ４のＺ方向の振幅よりも内側に配置される。

なお、実施の形態では、第１電極１１、エレクトレット１２、絶縁層１３及び第２電極１４の一端は固定強度を向上させるため、Ｘ方向の長さが他端側よりも長く形成されている。

［動作］
振動発電素子１０の動作について説明する。

図４Ａは、振動発電素子１０の動作の一例を示す斜視図である。図４Ｂは、振動発電素子１０の動作の一例を示す側面断面図である。図５Ａは、振動発電素子１０の動作の一例を示す斜視図である。図５Ｂは、振動発電素子１０の動作の一例を示す側面断面図である。なお、図４Ａ及び図５Ａでは、説明を容易にするために、固定部１７の図示を省略している。

図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第１電極１１の一端Ｅ１は、負荷１８を介して接地端に接続されている。また、第２電極１４の一端Ｅ３は、接地端に直接接続されている。なお、負荷１８は、第１電極１１と接地端との間を流れる電流を電圧として取り出すための負荷である。負荷１８は、例えば、抵抗、又はコンデンサを用いることができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、外部振動を受けたときに、第１電極１１の他端Ｅ２と第２電極１４の他端Ｅ４とが、ストッパ１６よりも下側に動いている第１状態を示している。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、第１状態においては、第２電極１４が、エレクトレット１２及び絶縁層１３を介して第１電極１１に接触する。第１状態においては、第１電極１１から負荷１８を介して接地端に向かって電流が流れる（図４Ａ中の矢印２１参照）。

図５Ａ及び図５Ｂは、外部振動を受けたときに、第２電極１４の他端Ｅ４がストッパ１６より上側に動いている第２状態を示している。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、第２状態では、第２電極１４側に向かう第１電極１１及びエレクトレット１２の動きが、ストッパ１６によって規制される。これにより、第２電極１４は、第２電極１４の他端Ｅ４から一端Ｅ３に向かって、第１電極１１から徐々に剥離する。言い換えると、第２電極１４の他端Ｅ４は、第１電極１１の他端Ｅ２からめくり上がるように剥離する。第２状態においては、接地端から負荷１８を介して第１電極１１に向かって電流が流れる（図４Ｂ中の矢印２２参照）。

このように、振動発電素子１０においては、外部振動を受けたとき、第２電極１４が、エレクトレット１２及び絶縁層１３を介して第１電極１１と接触する。また、振動発電素子１０においては、第２電極１４の他端Ｅ４が第１電極１１の他端Ｅ２からめくり上がるように剥離する。このように、振動発電素子１０は、第１電極１１と第２電極１４との接触及び剥離を繰り返すことによって、発電を行っている。

＜電極の位置と出力電圧の関係＞
図６は、振動発電素子１０における電極の位置と出力電圧との関係の一例を示す。図６において、符号「Ｔｐ」は、Ｚ方向におけるストッパ１６の位置を示す。

図６に示すように、時間ｔ_１〜ｔ_２においては、第１電極１１と第２電極１４とがストッパ１６の位置Ｔｐより低い位置にある。時間ｔ_１〜ｔ_２においては、第１電極１１の他端Ｅ２と第２電極１４の他端Ｅ４とが接触した状態で、ストッパ１６に向かって動く。

時間ｔ_２においては、第１電極１１の他端Ｅ２と第２電極１４の他端Ｅ４とがストッパ１６の位置Ｔｐに到達し、第２電極１４の他端Ｅ４が第１電極の他端Ｅ２から剥離する。時間ｔ_２においては、出力電圧が急激に低下する。その後、第２電極１４の他端Ｅ４が、第１電極１１からめくり上がるように剥離するのに伴い、出力電圧が上昇する。

時間ｔ_３〜ｔ_５においては、第２電極１４の他端Ｅ４が、第１電極１１側に向かって動き、エレクトレット１２と絶縁層１３とを介して、再び第１電極１１の他端Ｅ２に接触する。時間ｔ_３〜ｔ_５においては、出力電圧は徐々に低下する。

図７Ａは、振動発電素子１０を複数の区間Ｄ１−Ｄ５に分割した場合における第１電極１１と第２電極１４との剥離状況の一例を示す図である。図７Ｂは、図７Ａに示す複数の区間における出力電圧の波形の例を示す。図７Ａ及び図７Ｂは、第２電極１４の他端Ｅ４が第１電極１１の他端Ｅ２から最も離れたときの剥離状況の一例を示している。区間Ｄ１−Ｄ５は、第２電極１４の一端Ｅ３から他端Ｅ４に向かって、剥離が生じている部分を５つに分割した区間である。また、図７Ａ及び図７Ｂにおいては、区間Ｄ１−Ｄ５における第２電極１４と第１電極１１との剥離状況が容易に比較できるように、それぞれの区間の剥離状況のイメージ図を示している。

図７Ａに示すように、第２電極１４の他端Ｅ４は第１電極１１の他端Ｅ２からめくりあがるように剥離するため、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に第２電極１４と第１電極１１との距離（剥離量）が大きくなっている。言い換えると、第２電極１４の一端Ｅ３から他端Ｅ４に向かうほど、第２電極１４と第１電極１１との間の距離（剥離量）が大きくなっている。

図７Ｂに示すように、出力電圧を取り出せる時間は、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に長くなっている。これは、第２電極１４が第１電極１１から剥離した後、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に、第２電極１４が、エレクトレット１２と絶縁層１３とを介して、第１電極１１に接触するからである。即ち、第２電極１４が第１電極１１から剥離している時間が、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に大きくなる。このため、区間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５の順に出力電圧を取り出せる時間が長くなる。

また、図７Ｂに示すように、振動発電素子１０全体の出力電圧の波形は、区間Ｄ１−Ｄ５の出力波形を加算したものになる。

［効果］
実施の形態に係る振動発電素子１０によれば、以下の効果を奏することができる。

振動発電素子１０によれば、ストッパ１６によって、第２電極１４の他端Ｅ４を始点にして、第２電極１４を第１電極１１からめくりあげるように剥離することができるため、第１電極１１と第２電極１４との間の静電引力を低くすることができる。これにより、第２電極１４を第１電極１１から容易に剥離させることができるため、運動エネルギーの損失を抑制し、発電量を向上させることができる。

振動発電素子１０によれば、第１電極１１と第２電極１４との間の静電引力を低くすることができるため、表面電位の高いエレクトレット１２を使用することができる。これにより、更に発電量を向上させることができる。

振動発電素子１０によれば、簡単な構造で発電を行うことができる。また、振動発電素子１０を構成する部品は、加工が容易であり、コストを低減することができる。更に、振動発電素子１０を構成する材料の選択肢が多いというメリットがある。

ストッパ１６は、第１電極１１と第２電極１４とが対向する方向、即ちＺ方向における第２電極１４の他端Ｅ４の可動範囲より内側に配置されている。このような構成により、第２電極１４を第１電極１１から容易に剥離させることができる。

第１電極１１と対向する側の第２電極１４の面の面積は、第２電極１４と対向する側の第１電極１１の面の面積よりも小さい。このような構成により、第１電極１１と第２電極１４との間の静電引力を低くすることができるため、第２電極１４を第１電極１１から容易に剥離させることができる。

ストッパ１６は、第１電極１１と第２電極１４とが対向する方向、即ちＺ方向から見て、第２電極１４に重ならず、第１電極１１と重なる位置に配置されている。このような構成により、第２電極１４を第１電極１１からより容易に剥離させることができる。

また、ストッパ１６は、第１電極１１の一端Ｅ１から他端Ｅ２に向かって延びる方向、即ちＹ方向に沿って配置されている。このような構成により、第２電極１４の他端Ｅ４から一端Ｅ３に向かって、第２電極１４の他端Ｅ４を第１電極１１から徐々に剥離させることができる。このため、第２電極１４の他端Ｅ４を第１電極１１から安定して剥離させることができるため、運動エネルギーの損失を更に抑制することができる。

振動発電素子１０は、第２電極１４におもり１５を設けている。このような構成により、運動エネルギーを増やすことができ、発電量を向上させることができる。また、おもり１５を第２電極１４の他端Ｅ４に設けることによって、運動エネルギーを更に増やすことができ、発電量を更に向上させることができる。

また、振動発電素子１０は、縦方向、横方向、斜め方向など様々な方向に取り付けることができる。

このような振動発電素子１０は、例えば、回路などに組み込まれることによって、発電装置を構成することができる。このため、上述した振動発電素子１０の効果を有する発電装置を提供することができる。

なお、実施の形態において、第１電極１１と第２電極１４とを同じ材料で形成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１電極１１と第２電極１４とは、異なる材料で形成されてもよい。

実施の形態において、絶縁層１３は、第１電極１１と対向する側の第２電極１４の面を覆う例について説明したが、これに限定されない。絶縁層１３は、第２電極１４とエレクトレット１２との間を絶縁すればよく、例えば、エレクトレット１２側に形成されてもよい。

実施の形態において、エレクトレット１２が第１電極１１に配置され、絶縁層１３が第２電極１４に配置される例について説明したが、これに限定されない。例えば、エレクトレット１２が第２電極１４に配置され、絶縁層１３が第１電極１１に配置されてもよい。

実施の形態において、ストッパ１６は、第２電極１４と絶縁層１３とを剥離させる例について説明したが、これに限定されない。例えば、ストッパ１６は、第２電極１４のみを剥離してもよい。

実施の形態１において、第２電極１４、絶縁層１３及びエレクトレット１２が共に、第１電極１１から剥離しないようにすることが好ましい。エレクトレット１２が第１電極１１から剥離すると、エレクトレット１２に蓄えた電荷が第１電極１１に向けて放電するので発電量が低下することがある。このため、エレクトレット１２が配置されている第１電極１１と、エレクトレット１２とが剥離せずに、接触した状態を維持することが好ましい。このような構成により、エレクトレット１２に蓄えた電荷が第１電極１１に向けて放電することによる発電量の低下を抑制することができる。

また、エレクトレット１２が第２電極１４に配置され、絶縁層１３が第１電極１１に配置される構成の場合、第２電極１４及びエレクトレット１２が、ストッパ１６により絶縁層１３及び第１電極１１から剥離されてもよい。この場合、第２電極１４とエレクトレット１２とは接触した状態で、絶縁層１３及び第１電極１１から剥離することが好ましい。このような構成により、エレクトレット１２に蓄えた電荷が第２電極１４に向けて放電することによる発電量の低下を抑制することができる。

実施の形態において、ストッパ１６は、第１電極１１の一端Ｅ１から他端Ｅ２に向かって延びる方向、即ちＹ方向に沿って配置される例について説明したが、これに限定されない。ストッパ１６は、第２電極１４側に向かう第１電極１１の動き、即ち第１電極１のＺ方向への動きを規制することによって、第２電極１４の他端Ｅ４を第１電極１１からめくり上げるように剥離させることができる位置に配置されていればよい。ストッパ１６は、例えば、第１電極１１の他端Ｅ２に配置されていてもよい。

実施の形態において、第２電極１４の他端Ｅ４におもり１５を設けた例について説明したが、これに限定されない。例えば、おもり１５は、第２電極１４の一端Ｅ３と他端Ｅ４との間に設けられてもよい。また、振動発電素子１０においては、おもり１５は、運動エネルギーを増大させるためのものであり、必須の構成要素ではない。例えば、振動発電素子１０においては、運動エネルギーを増大させるために、おもり１５を用いずに、第２電極１４の他端Ｅ４の厚さを大きくして、他端Ｅ４の重量を他の部分に比べて大きくしてもよい。

実施の形態において、エレクトレット１２及び絶縁層１３は、一端が固定部１７に固定される例について説明したが、これに限定されない。エレクトレット１２及び絶縁層１３は、第１電極１１と第２電極１４との間に配置されていればよく、固定部１７に支持されていなくてもよい。

実施の形態において、第１電極１１、エレクトレット１２、絶縁層１３及び第２電極１４の一端におけるＸ方向の長さは、他端と比べて長くする例について説明したが、これに限定されない。例えば、第１電極１１、エレクトレット１２、絶縁層１３及び第２電極１４の一端のＸ方向の長さは、他端と同じ長さであってもよいし、他端より短くてもよい。

実施の形態において、第２電極１４は、矩形形状の銅板により形成された平板状の電極を説明したが、これに限定されない。様々な外部振動に応じて、周波数帯域を変更したい場合は、第２電極１４の形状を変更してもよい。例えば、振動発電素子１０において、対応する外部振動の周波数帯を変更したい場合は、第２電極１４の寸法を変更してもよい。あるいは、多周波数の外部振動に対応するために、第２電極１４を複数の電極部で形成してもよい。

図８は、変形例の第２電極１４ａの概略構成を示す。図８に示すように、第２電極１４ａは、一端Ｅ３で接続されると共に、他端Ｅ４ａ、Ｅ４ｂ、Ｅ４ｃを自由端とする片持ち構造で支持された複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃを有していてもよい。複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、固定された第２電極１４ａの一端Ｅ３からＹ方向に延在する板状の部材で形成されている。具体的には、複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、平板状に形成されている。

複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、一端Ｅ３で接続されており、一端Ｅ３を固定端とし、他端Ｅ４ａ、Ｅ４ｂ、Ｅ４ｃを自由端とする片持ち構造で支持されている。また、複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、Ｘ方向に間隔を有して配置されている。

図８に示す複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、Ｙ方向の長さ、即ち、一端Ｅ３から他端Ｅ４ａ、Ｅ４ｂ、Ｅ４ｃまでの長さが異なっている。このような構成により、発電可能な周波数帯域を増やすことができるため、様々な周波数の外部振動に応じて、発電することが可能となる。

なお、複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、それぞれＹ方向の長さが異なる例を説明したが、これに限定されない。例えば、複数の電極部１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃは、Ｘ方向の長さが異なっていてもよい。また、複数の電極部は、３つに限られず、２つ又は４つ以上であってもよい。

以下、実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１において、実施の形態の振動発電素子１０を用いて、出力電圧及び瞬間出力電力を測定した。また、比較例１として、参考例の振動発電素子を用いて、出力電圧及び瞬間出力電力を測定した。

実施例１の振動発電素子１０においては、第１電極１１及び第２電極１４は、平板状の厚さ４０μｍの銅板で形成されている。また、エレクトレット１２は、テフロン（登録商標）系のＣＹＴＯＰ（旭硝子社）を用いた。絶縁層１３は、厚さ５０μｍのエポキシ樹脂で形成されている。

比較例１においては、対向して配置された板状の上部電極と下部電極とが上下方向（厚み方向）に振動し、誘電体とエレクトレットを介して面接触と剥離とを繰り返すことによって発電を行う振動発電素子を用いた。なお、比較例１においては、上部電極と下部電極との剥離を補助するために、誘電体とエレクトレットとの間にスペーサを配置している。

図９は、実施例１と比較例１との出力電圧及び瞬間電力の比較結果を示す。図９に示すように、実施例の１周期は７１ｍｓであり、比較例１の１周期の５７ｍｓである。ここで、「１周期」とは、２つの電極が接触し、剥離し、再び接触するまでの動きを意味する。

出力電圧の波形に着目すると、実施例１は、比較例１よりも長い時間、電圧を取り出すことができている。瞬間電力に着目すると、実施例１の出力時間は５０ｍｓであるのに対し、比較例１の出力時間は２６ｍｓである。また、実施例１の瞬間電力のピーク値は６００μｗであるのに対し、比較例１の瞬間電力のピーク値は３５０μＷである。

このように、実施例１においては、比較例１よりも長い時間、電圧を取り出すことができるため、出力時間を長くすることができる。また、実施例１においては、比較例１よりも瞬間電力を大きくすることができる。

（実施例２）
実施例２において、実施の形態の振動発電素子１０を用いて、発電量を測定した。また、比較例２〜５として、参考例の振動発電素子を用いて、発電量を測定した。なお、実施例２及び比較例２〜５においては、１．９６ｍ／ｓ^２の振動条件とした。

実施例２は、実施例１と同じ振動発電素子１０を用いた。

比較例２〜５においては、比較例１と同等の構成を有する振動発電素子を用いた。なお比較例２は、スペーサを備えない参考例の振動発電素子を用いた。比較例３〜５は、それぞれ、スペーサの高さが２４μｍ、３６μｍ、及び４８μｍのスペーサを用いた。

図１０は、実施例２と比較例２〜５との発電量の比較結果を示す。図１０に示すように、次子例２は、比較例２〜５よりも高い発電量を得ることができた。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した特許請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

本発明の振動発電素子は、社会・交通インフラのモニタリング用の自立型無線センサ、ウェアラブル端末・ヘルスケア端末の自立電源などに有用である。

１０ 振動発電素子
１１ 第１電極
１２ エレクトレット
１３ 絶縁層
１４、１４ａ 第２電極
１４ａａ、１４ａｂ、１４ａｃ 電極部
１５ おもり
１６ ストッパ
１７ 固定部
１８ 負荷
２１、２２ 電流の流れる方向

Claims (10)

1. 一端を固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第１電極と、
   前記第１電極に対向すると共に、一端を前記固定部に固定し、他端を自由端とする片持ち構造で支持された第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置されるエレクトレットと、
   前記第１電極と前記第２電極との間に配置される絶縁層と、
   前記第２電極側に向かう前記第１電極の動きを規制することによって、前記エレクトレットと前記絶縁層とを介して前記第１電極に接触している前記第２電極を、前記第１電極から剥離するストッパと、
   を備える、振動発電素子。
2. 前記ストッパは、前記第２電極の前記他端を始点にして前記第１電極から前記第２電極を剥離する、請求項１に記載の振動発電素子。
3. 前記エレクトレットは、前記第１電極と前記第２電極とのうちいずれか一方に接触している、請求項１又は２に記載の振動発電素子。
4. 前記ストッパは、前記第１電極と前記第２電極が対向する方向における前記第２電極の前記他端の可動範囲より内側に配置される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動発電素子。
5. 前記第１電極と対向する側の前記第２電極の面の面積は、前記第２電極と対向する側の前記第１電極の面の面積よりも小さい、請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動発電素子。
6. 前記ストッパは、前記第１電極と前記第２電極が対向する方向から見て、前記第２電極に重ならず、前記第１電極と重なる位置に配置される、請求項５に記載の振動発電素子。
7. 前記ストッパは、前記第１電極の一端から他端に向かって延びる方向に沿って配置される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動発電素子。
8. 更に、
   前記第２電極に設けられたおもりを備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の振動発電素子。
9. 前記おもりは、前記第２電極の前記他端に設けられる、請求項８に記載の振動発電素子。
10. 前記第２電極は、一端で接続されると共に、他端を自由端とする片持ち構造で支持された複数の電極部を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の振動発電素子。

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