JP2014226003A - 振動発電器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からの加速度や自由振動減衰によって振動基板の振幅が変化しても適正な負荷で発電器の出力を取り出せることができる、振動発電器を提供する。
【解決手段】振動体１０７が静止している時、複数のエレクトレット電極１０９のそれぞれが、上面視において１つの第１の固定電極片１０３および１つの第２の固定電極片１０４と重畳し、前記振動体１０７が振動している間に、前記複数のエレクトレット１０９のそれぞれが、前記振動体１０７の静止時に重畳する前記１つの前記第１の固定電極片１０３および前記１つの前記第２の固定電極片１０４以外の前記第１の固定電極片１０３および前記第２の固定電極片１０４と上面視において重畳することがないように前記振動体１０７の振幅が規制されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、振動エネルギーを電力に変換する振動発電器に関する。

近年、太陽光発電、熱電発電および自然力により磁石とコイルとを相対的に移動させる電磁誘導による発電など、環境に広く存在するエネルギーから電力を取り出し、小電力の電子機器に利用する、環境発電が注目されている。
このような環境発電の１つとして、人体、車両および機械などの振動エネルギーを電力に変換して取り出す、静電誘導型振動発電器が知られている。静電誘導型振動発電器では、デバイス内の振動体に形成された電極とこれに対向する固定電極（固定電極片）とのいずれか一方にエレクトレットと呼ばれる半永久的に電荷を有した膜が配置されている。そして、この２つの電極の容量変化を用いて誘導電荷を変化させることによって、電流を流し、これにより負荷にかかる電圧が発生することによって、電力が取り出せるように構成されている。

図１４は、従来の振動発電器１０００を示す図であって、図１４（ａ）は振動体１３０７が静止状態の断面図であり、図１４（ｂ）は振動体１３０７が最大変位した状態の断面図である。図１４に示されるように、固定基板１３０１上には絶縁膜１３０２が設けられ、絶縁膜１３０２上には幅が２ｗの第１の固定電極片１３０３と、幅が２ｗの第２の固定電極片１３０４とがｓの間隔を介し交互にそれぞれ複数配置されている。固定基板１３０１上にはスペーサ１３０５が配置され、スペーサ１３０５に接続された少なくとも２つのばね１３０６によって、振動体１３０７が、ばね振動可能な状態で、固定基板１３０１上の第１の固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４上に、ギャップｇを介し配置されている。

振動体１３０７には絶縁膜１３０８を介して、幅（図１４中のＸ方向の長さ）が２ｗであり、マイナスの電荷が注入されたエレクトレット電極片１３０９が配置されている。エレクトレット電極片１３０９は、振動体１３０７が静止状態にある場合は第２の固定電極片１３０４と対向するように配置されている。振動体１３０７の上方にはふた基板１３１０が配置されている。ふた基板１３１０をスペーサ１３０５の上面に接触して配置することにより、固定基板１３０１とスペーサ１３０５とふた基板１３１０とにより振動基板１３０７を封止できる。

振動体１３０７は、Ｘ方向および−Ｘ方向にスライド振動可能となっている。そして、図１４に示されるように、エレクトレット電極片１３０９と第１の固定電極片１３０３で成す容量の変化比が最大時に第１の固定電極片１３０３にプラスの誘導電荷が最も多く誘起され、エレクトレット電極片１３０９と第２の固定電極片１３０４で成す容量の変化比が最大時に固定電極片１３０４にプラスの誘導電荷が最も多く誘起される。このような電荷の増減により誘導電流が励起され、誘導電流は負荷１３１１にかかる電圧を発生させ、振動発電器が発電する（非特許文献１参照）。

図１５は、振動体１３０７が正弦波で変位した場合の振動体１３０７の変位１４０１、および第１の固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４の間の電圧１４０２の時間波形を示す。振動体１３０７が、ばね振動により正弦波の変位１４０１の１振幅分変位する間に、エレクトレット電極片１３０９は複数個の第２の固定電極片１３０４と交差することから、交流電圧１４０２の周波数は、振動体１３０７の変位１４０１の周波数より高くなっている。
図１６は、振動体１３０７に短時間に大きな加速度が付与された場合の、振動体１３０７の変位１５０１、および第１の固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４の間の電圧１５０２の時間波形を示す。振動体１３０７が大きな加速度が付与されることにより、その変位１５０１は大きな振幅の振動となった後、ばね１３０６の減衰定数による自由振動減衰を示す。このときエレクトレット電極片１３０９と成す容量変化によって第１固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４との間に生ずる交流電圧が電圧１５０２である。

Yuji Suzuki著、「A MEMS electret generator with electrostatic levitation for vibration-driven energy-harvesting applications」、Journal of Micromechanics and Microengineering、Volume 20、Issue 10（October2010）

しかしながら、振動発電器１０００のような従来の構成の振動発電器では、第１の固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４との間の交流電圧１４０２は、１個のエレクトレット電極片１３０９が交差する（振動１周期中に対向する）第１の固定電極片１３０３（または１個の第２の固定電極片１３０４）の個数により異なる。すなわち、変位１４０１の振幅が大きい場合、エレクトレット片１３０９は、より多くの第１の固定電極片１３０３と交差することから、交流電圧１４０２は高い周波数となる。一方、変位１４０１の振幅が小さい場合、エレクトレット片１３０９は、より少ない数の第１の固定電極片１３０３と交差することから、交流電圧１４０２は低い周波数となる。

発電器の最適負荷は一般的に、発電器の容量Ｃと交流電圧１４０２の周波数ｆにより１／２πｆＣで表される。従って、交流電圧１４０２の周波数ｆが変化すると最適負荷が変化してしまうことから、変位１４０１の振幅の大きさによっては最適負荷からずれた負荷で発電器の出力を取り出すこととなり、発電効率が低下してしまうという問題があった。

また、エレクトレット電極片１３０９が、変位１４０１が最大時もしくは最小時に第２の固定電極片１３０４と最大容量もしくは最小容量を成していれば、振幅がおおむね揃った交流電圧１４０２が得られるが、変位１４０１の振幅が変化して変位１４０１が最大もしくは最小でない時に最大容量もしくは最小容量を成す場合、変位１４０１が最大時の交流電圧１４０１が小さく出力され、大きい電圧と小さい電圧が混在した形で出力されるため、発電効率が低下するという問題があった。

さらに、自由減衰振動により変位１５０１の振幅が大きな値から小さな値に減少していく場合、エレクトレット電極片１３０９と交差する第１の固定電極片１３０３および第２の固定電極片１３０４の数が減少していき、交流電圧１５０２の周波数が変化する。この場合も最適負荷が変化することから、最適負荷で発電器の出力を取り出すことが困難となる場合があるという問題があった。

そこで、本発明では、外部からの加速度や自由振動減衰によって振動基板の振幅が変化しても適正な負荷で発電器の出力を取り出せることができる、振動発電器を提供することを目的とする。

本発明の態様の１つは、固定基板と、該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ該固定基板に対して相対的に振動可能な振動体と、前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の一方に、該振動体の振動方向に交互に配置された、複数の第１の固定電極片と第２の固定電極片と、前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の他方に、前記振動方向に配置された複数のエレクトレット電極と、を有する振動発電器であって、前記振動体が静止している時、前記複数のエレクトレット電極のそれぞれが、上面視において１つの前記第１の固定電極片および１つの前記第２の固定電極片と重畳し、前記振動体が振動している間に、前記複数のエレクトレットのそれぞれが、前記振動体の静止時に重畳する前記１つの第１の固定電極片および前記１つの第２の固定電極片以外の前記第１の固定電極片および前記第２の固定電極片と上面視において重畳することがないように前記振動体の振幅が規制されていることを特徴とする振動発電器である。

本発明の態様の別の１つは、固定基板と、該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ該固定基板に対して相対的に振動可能な振動体と、前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の一方に、該振動体の振動方向に交互に配置された、複数の第１の固定電極片と第２の固定電極片と、前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の他方に、前記振動方向に配置された複数のエレクトレット電極と、
を有する振動発電器であって、前記振動体が静止している時、前記複数のエレクトレット電極のそれぞれが、上面視において１つの前記第１の固定電極片と重畳し、前記振動体が振動している間に、前記複数のエレクトレットのそれぞれが、上面視において、前記振動体の静止時に重畳する前記１つの第１の固定電極片と隣り合う２つの前記第２の固定電極片と重畳し、かつ前記振動体の静止時に重畳する前記１つの前記第１の固定電極片以外の前記第１の固定電極と重畳することがないように前記振動体の振幅が規制されていることを特徴とする振動発電器。

本発明によれば、外部からの加速度や自由振動減衰によって振幅が変化しても、出力電圧の周波数が一定となり、適正な負荷で発電器の出力を取り出せることができる。この結果、振動発電器は高い発電効率を得ることが可能となる。

図１は、本発明の実施形態１に係る振動発電器１００を示し、図１（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図１（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。 図２（ａ）は、振動発電器１００において、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図２（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である 図３は、振動発電器１００において振動体１０７の正弦波振動変位３０１および交流電圧３０２の時間に対する変化を表したグラフである。 図４は、振動発電器１００を用いて、振動体１０７が自由振動減衰変位する場合の自由振動変位４０１および交流電圧４０２の時間変化を表したグラフである。 図５は、実施形態１の変形例に係る振動発電器１００Ａを示し、図５（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図５（ｂ）は振動体が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。 図６（ａ）は、振動発電器１００Ａにおいて、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図６（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である。 図７は、本発明の実施形態２に係る振動発電器２００を示し、図７（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図７（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。 図８（ａ）は、振動発電器２００において、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図６（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である。 図９は、本実施形態に係る振動発電器２００の振動体の正弦波振動変位に対する交流電圧の変化を表したグラフである。 図１０は、振動発電器２００を用いて、振動体１０７が自由振動減衰変位する場合の自由振動変位９０１および交流電圧９０２の時間変化を表したグラフである。 図１１は、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の構成例を示す上面図である。 図１２（ａ）はエレクトレット電極片１０９の構成例を示す上面図であり、図１２（ｂ）は、エレクトレット電極片１０９の別の構成例を示す上面図である。 図１３は、スペーサ１０５と振動体１０７とばね１０５と一体的に構成した例を示す斜視図である。 図１４は、従来の振動発電器１０００を示す図であって、図１４（ａ）は振動体１０３７が静止状態の断面図であり、図１４（ｂ）は振動体１３０７が最大変位した状態の断面図である。 図１５は、振動体１３０７が正弦波で変位した場合の振動体１３０７の変位１４０１、および第１の固定電極片１３０３と第２の固定電極片１３０４の間の電圧１４０２の時間波形を示す。 図１６は、振動体１３０７に短時間に大きな加速度が付与された場合の、振動体１３０７の変位１５０１と第２の固定電極片１３０４の電圧１５０２の時間波形を示す。

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

本発明の発明者らは鋭意検討した結果、振動体の静止状態においてエレクトレット電極片を第１の固定電極片および第２の固定電極片の少なくとも一方と重畳させるとともに、振動体の振動を規制し、第１の固定電極片および第２の固定電極片の２種の固定電極片について、静止状態でエレクトレット電極片と重畳している種類の固定電極片については、振動中にエレクトレット電極が重畳していない同じ種類の他の固定電極片と重畳することがないようにすることにより、最大振幅が変化しても適正な負荷で発電器の出力を取り出せることができる、振動発電器が得られることを見出したものである。
以下に図を用いて本発明の詳細を説明する。

（実施形態１）
本実施形態に係る振動発電器は、振動基板が静止した状態では、振動基板上に配置したエレクトレット電極片が、上面視において、１対の固定電極片の第１の固定電極片および第２の固定電極片の両方に重畳し、かつ前記振動体が振動可能な範囲を、静止時に重畳している第１の固定電極片および第２の電極片以外の第１の固定電極片または第２の固定電極片と重畳することがないように規制することにより振動の振幅が変動しても得られる電圧の周波数が一定であることを特徴とする。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、以下に示す実施形態は好適な例を示すことを目的とするものであって、詳述する各要素の配置、寸法等は本発明の技術的範囲を限定することを意図したものではないことに留意されたい。

図１は、本発明の実施形態１に係る振動発電器１００を示し、図１（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図１（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。図２（ａ）は、振動発電器１００において、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図２（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である。
なお、本明細書では、図１（ａ）、１（ｂ）のように、図を示す数字が同じで、括弧内に示されたアルファベットが異なる図を総称して、「図１」のように図の番号のみで呼ぶ場合がある。

振動発電器１００は、図１に示すように、シリコンまたはガラスなどからなる固定基板１０１と、固定基板１０１上に配置された酸化膜などからなる絶縁膜１０２とを有し、絶縁膜１０２上には、例えばポリシリコンまたは金属膜などから成る第１の固定電極片１０３と、第２の電極片１０４とが交互に複数配置されている。
図１に示すように、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４とは、それぞれ、幅が２ｗ（ｗ×２）で、間隔ｓを有して配置されてよい。

絶縁膜１０２上には、絶縁膜１０２から上方（図１のＺ方向）に延在する、例えば、シリコン、ガラスまたは金属体などから成るスペーサ１０５が設けられている。対向するスペーサ１０５の間（複数のスペーサ１０５の間または単一のスペーサの異なる部分の間）に例えばシリコンまたはガラス等から成る振動体（振動基板）１０７が配置されている。振動体１０７は、例えばその両端部の一方と他方に接続されている２つ以上のばね（弾性部材）１０６により支持され、固定基板１０１の上部に固定基板１０１（第１の固定電極片１０３及び第２の固定電極片１０４を含む）から離間して配置されている。振動体１０７は、ばね１０６によって少なくとも１つの方向（図１の実施形態ではＸ方向）に振動可能である。
なお、本明細書において「振動体が静止状態にある」とは、振動体に外力（ばね１０６による力も含む）が作用しておらず、かつ振動体が停止している状態を意味する
スペーサ１０５上には、必要に応じて、例えばシリコンやガラスなどからなるふた基板１１０を設けてよい。ふた基板を１１０とスペーサ１０５と固定基板振動体１０７とにより、振動体１０７を気密封止または低真空封止することができる。

振動体１０７の固定基板１０１と対向する面（図１では振動体１０７の下面）には、絶縁膜１０２と対応するように絶縁膜１０８が設けられている。絶縁膜１０８の上には、マイナスの電荷を保持したエレクトレット電極片１０９が幅方向に複数配置されている。エレクトレット電極片１０９の幅（Ｘ方向の長さ）は、第１の固定電極片１０３および第２の工程電極片１０４の幅２ｗと同じまたは幅２ｗ以上であることが好ましい。振動時に第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４の幅全体に亘りエレクトレット電極片１０９を重畳させることができるからである。
なお、本明細書において「重畳する」とは、振動体に垂直な方向（図のＺ方向）から上面した場合に重なりが生ずることを意味する。

エレクトレット電極片１０９の幅は、より好ましくは２ｗより大きく、さらにより好ましくは２ｗより大きく２ｗ＋ｓ以下である（図２に示す実施形態では２ｗ＋ｓ）。エレクトレットの幅が２ｗより大きいと、図２（ｂ）に示すように、振動時に、第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４の幅全体に加えて幅方向の外側（固定電極片１０３、１０４が無い部分）までエレクトレット電極片１０９が重畳することから、固定電極片１０３または固定電極片１０４の幅方向の端部にも十分に電荷を帯電させることができる。また、エレクトレット１０９の幅が２ｗ＋ｓ以下であると、図２（ｂ）に示すように第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４の幅全体および幅方向の外側までエレクトレット電極片１０９を重畳させながら、別の第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４に重畳することを確実に避けることができる。
エレクトレット電極片１０９は、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４から、距離（ギャップ）ｇを有して離間している。第１の電極片１０３および第２の固定電極片１０４は例えば酸化膜または窒化膜から成る。

エレクトレット電極片１０９は、振動体１０７が静止した状態（振動の変位がゼロの状態）で、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４にそれぞれ対向する（重畳する）。図１（ａ）および図２（ａ）に示す実施形態では、エレクトレット電極片１０９は、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４のそれぞれに幅方向（Ｘ方向）に長さｗずつ対向する（重畳する）ように配置されている。

エレクトレット電極片１０９が、振動体１０７の振動中に、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４以外の第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４と重畳することがないようにストッパ１１２により振動体１０７の最大振幅（最大変位量）が規制されている。すなわちストッパ１１２が振動体１０７と接触することにより振動体１０７の最大変位量を規制する。
なお、本明細書において、変位は振動体１０７が静止した状態をゼロ、図のＸ方向の変位を正とし、−Ｘ方向の変位を負として示し、「変位量」は、変位の絶対値を意味する。
好ましくは、振動体１０７の振動中にエレクトレット電極片１０９が、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の一方のみと重畳する状態が生ずるようにストッパ１１２により振動体１０７の最大変位量を規制する。
より好ましくは、振動体１０７の振動中にエレクトレット電極片１０９が、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の一方の幅方向全体に重畳する状態が生ずるようにストッパ１１２により振動体１０７の最大変位量を規制する。
よりさらに好ましくは、振動体の振動中にエレクトレット電極片１０９が、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の一方の幅方向全体に重畳することに加えて、固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の一方の幅方向の外側まで重畳する状態が生ずるようにストッパ１１２により振動体１０７の最大変位量を規制する。

これら振動体１０７の最大変位量について、図２に示した１つのエレクトレット電極片１０９ａを例に説明する。図２（ａ）に示すように振動体１０７が静止した状態ではエレクトレット電極片１０９ａは、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａとに重畳している。そして、図２（ｂ）は図１の振動体１０７が変位ｗ＋ｓ／２で最大変位した（変位量が最大となっている）場合を示す。

振動体１０７の静止した位置からの変位をＬとすると、−ｗ≦Ｌ≦ｗの範囲ではエレクトレット１０９ａは、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａの両方に重畳している。
従って、最大変位量ＬＭがｗ以下（ＬＭ≦ｗ）の場合は、振動体１０７が振動している間、エレクトレット電極片１０９ａは、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａの両方に重畳した状態のままとなる。

変位Ｌがｗの場合（Ｌ＝ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａの右側端部の幅方向（Ｘ方向）の位置が、第１の固定電極片１０３ａの外側端部（図２では右側端部）の位置と等しくなる。換言すると、第１の固定電極片１０３ａは幅方向全長に亘りエレクトレット電極片１０９ａと重畳する。
変位Ｌが−ｗの場合（Ｌ＝−ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａの左側端部の幅方向（Ｘ方向）の位置が、第２の固定電極片１０４ａの外側端部（図２では左側端部）の位置と等しくなる。換言すると、第２の固定電極片１０４ａは幅方向全長に亘りエレクトレット電極片１０９ａと重畳する。
従って、最大変位量ＬＭがｗ以上（ＬＭ≧ｗ）の場合は、振動体１０７が振動している間に、エレクトレット電極片１０９ａが第１の固定電極片１０３ａおよび第２の固定電極片１０４ａの一方の幅方向全体に亘り重畳している状態を生ずることができる。

変位Ｌがｗより大きい場合（Ｌ＞ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａの右側端部の幅方向（Ｘ方向）の位置が、第１の固定電極片１０３ａの外側端部（図２では右側端部）の位置より外側となる。換言すると、エレクトレット電極片１０９ａは第１の固定電極片１０３ａは幅方向全長に加えて、第１の固定電極片１０３ａの外側まで重畳する（図２（ｂ）参照）。
変位Ｌが−ｗより小さい場合（Ｌ＜−ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａの左側端部の幅方向（Ｘ方向）の位置が、第２の固定電極片１０４ａの外側端部（図２では左側端部）の位置より外側となる。換言すると、エレクトレット電極片１０９ａは第２の固定電極片１０４ａは幅方向全長に加えて、第２の固定電極片１０４ａの外側まで重畳する。
従って、最大変位量ＬＭがｗより大きい（ＬＭ＞ｗ）の場合は、振動体１０７が振動している間に、エレクトレット電極片１０９ａが、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａの一方の幅方向全体に加えて当該第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａの一方の外側にまで重畳している状態を生ずることができる。
この場合、振動体１０７の最大変位量はエレクトレット１０９ａが第２の工程電極片１０４ｃと重畳しないように規制されているため、振動体１０７の変位量が最大になった際に、エレクトレット電極片１０９ａの外側端部（変位している方向の端部、図２（ｂ）では右側端部）の幅方向の位置は、エレクトレット１０９ａが重畳している第１の固定電極片１０３ａおよび第２の固定電極片１０４ａの一方（図２（ｂ）では第１の固定電極片１０３ａ）と、この第１の固定電極片１０３ａおよび第２の固定電極片１０４ａの一方と隣り合う第１の固定電極片１０３ｂおよび第２の固定電極片１０４ｃの一方（図２（ｂ）では第２の固定電極片１０４ｃ）との間となる。

最大変位量ＬＭがｗより大きい（ＬＭ＞ｗ）場合の好ましい実施形態の１つが、図２（ｂ）に示す最大変位量がｗ＋ｓ／２（ＬＭ＝ｗ＋ｓ／２）の場合である。
振動体１０７が最大変位した（Ｌ＝ｗ＋ｓ／２またはＬ＝−（ｗ＋ｓ／２））際には、エレクトレット電極片１０９ａの外側端部の幅方向の位置は、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ｃとの間の中央（図２（ｂ）の場合）または第２の固定電極片１０４ａと第１の固定電極片１０３ｂとの間の中央に位置する。これによりエレクトレット電極片１０９ａが重畳している第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ａの一方について、外側端部近傍を含む全体に亘り確実にプラスの電荷を誘起できるとともに、隣接する第１の固定電極片１０３ｂまたは第２の固定電極片１０４ｃに、エレクトレット電極片１０９がプラスの電荷を誘起することをより確実に抑制できる。
なお、この効果をより確実に得るために、第１の工程電極片１０３と第２の固定電極片１０４との間の距離ｓは、ｗ／１０〜ｗである（ｗ／１０≦ｓ≦ｗ）ことが好ましい。

次に最大変位量がｗ＋ｓ／２の場合を例にして、振動発電器１００の発電のメカニズムを説明する。
振動体１０７の変位量がｗ＋ｓ／２の状態では、図２（ｂ）に示すように、エレクトレット電極片１０９ａと第１の固定電極片１０３が対向し、第１の固定電極片１０３の全体がエレクトレット電極片１０９ａに重畳する（重なり面積が最大になる）だけでなく第１の固定電極片１０３の外側（Ｘ方向および−Ｘ方向の外側）にまでエレクトレット電極片１０９ａが延在することからエレクトレット電極片１０９ａと第１の固定電極片１０３で成す容量は最大となり、第１の固定電極片１０３にプラスの誘導電荷が最も多く誘起される。
変位量がｗ＋ｓ／２の状態では、図２（ｂ）に示すように、第２の固定電極片１０４は、エレクトレット電極片１０９ａと重畳しない（重なり面積がゼロである）ため、エレクトレット電極片１０９ａと第２の固定電極片１０４で成す容量は最小となり、第２の固定電極片１０４にプラスの誘導電荷が最小となる。

一方、振動体１０７の変位量が−（ｗ＋ｓ／２）の状態では、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４が対向し、Ｚ方向から平面視した場合、第２の固定電極片１０４の全体がエレクトレット電極片１０９に重なる（重なり面積が最大になる）だけでなく第２の固定電極片１０４の外側（Ｘ方向および−Ｘ方向の外側）にまでエレクトレット電極片１０９が延在することからエレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量は最大となり、第２の固定電極片１０４にプラスの誘導電荷が最も多く誘起される。
変位量が−（ｗ＋ｓ／２）の状態では、第１の固定電極片１０３は、エレクトレット電極片１０９と重畳しない（重なり面積がゼロである）ため、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量は最小となり、第１の固定電極片１０３にプラスの誘導電荷が最小となる。

このような第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の電荷の増減により誘導電流が励起され、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４間に配置された負荷１１１にかかる電圧が変動することによって、振動発電器１００は発電する。
振動発電器１００により発生した交流電圧を必要に応じて、図示しない整流回路などを用いて直流電圧にし、図示しないレギュレータなどを用いて所望電圧に変換し、キャパシタや電池などに貯蔵し、またはそのまま負荷１１１が備える回路の電源として使用してよい。
また、必要に応じて第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の一方をグラウンドに繋げてもよい。

図３は、振動発電器１００において振動体１０７の正弦波振動変位３０１および交流電圧３０２の時間に対する変化を表したグラフである。
正弦波振動変位３０１は、振動体１０７の重量と、ばね１０６のばね定数等の特性とにより決定される固有周波数で振動体１０７が図１のＸ方向にｗ＋ｓ／２の振幅で振動していることを示す。
交流電圧３０２は、振動体１０７の正弦波振動変位３０１に伴い、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３との間の容量の変化と、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４との間の容量変化とに起因して、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４との間に生ずる電圧（交流電圧）を示す。

図３から判るように、振動体１０７の変位３０１が、ゼロから正の最大変位ｗ＋ｓ／２に達し、ゼロに戻り、負の最大変位−（ｗ＋ｓ／２）に達し、ゼロに戻る１周期の間に、交流電圧３０２もゼロから正の最大値に達し、ゼロへ戻り、次に負の最小値となりゼロへ戻り同じ１周期となる。
なお、図３に示すように、変位３０１と交流電圧３０２は、ピークの位置が異なり、位相差を有している。振動発電器１００に接続する負荷１１１の条件等に応じて変位３０１と交流電圧３０２との間に位相差を生ずる場合がある。

以上から判るように、エレクトレット電極片１０９が、振動体１０７が静止時に重畳しない第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４（振動体１０７が静止時にエレクトレット電極片１０９が重畳する第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４に隣接する第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４）に、振動時にも重畳しないように最大振幅（最大変位量）を規定することにより、常に変位の振動周波数と交流電圧の出力が同一の周波数で出力される。このため、振動発電器１００最適負荷は一定であり、その負荷に対応する負荷１１１を設定することにより、常に発電器の取り出し効率を高めることが可能となる。

すなわち、外力による振動体１０７の正弦波振動変位の振幅が、ストッパ１１２で規定されたｗ＋ｓ／２の最大変位量に達しない場合においても、その振幅の分だけ、振動体１０７が変位ゼロから正の変位をして、変位ゼロへ戻り、負の変位をして、変位ゼロに戻る１周期に対応して、エレクトレット電極片１０９と、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４との成す容量変化ならび交流電圧３０２もゼロから最大（正）となり、ゼロへ戻り、最小（負）となる１周期となり図３と同様の波形変化を成す。

図４は、振動発電器１００を用いて、振動体１０７が自由振動減衰変位する場合の自由振動変位４０１および交流電圧４０２の時間変化を表したグラフである。
振動体１０７は、外部から大きな加速度（外力）が加わり、ストッパ１１２で規定される最大変位量まで変位した後、振動体１０７の固有周波数ならびにばね１０６の減衰定数とエレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４との間の静電力とにより決まる減衰特性に従い、変位４０１のように、変位ゼロを中心に自由減衰振動変位をする。変位４０１が最大になるとエレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３とで成す容量が最大となり、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最小となる。一方、変位４０１が最小になると、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最大となり、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量が最小となる。
このような第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の容量（および電荷）の増減により誘導電流が励起され、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４間に配置された負荷１１１にかかる電圧が変動することによって、振動発電器１００は発電する。

図４から判るように、振動体１０７の振動が自由減衰振動であっても、振動体１０７が変位ゼロから最大変位し、変位ゼロに戻り、最小変位し、変位ゼロに戻る１周期と、交流電圧４０２がゼロから最小となり、ゼロへ戻り、最大となりゼロに戻る１周期とは、同じ時間となる。
つまり、エレクトレット電極片１０９が、振動体１０７の静止時に重畳しない第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４（振動体１０７が静止時にエレクトレット電極片１０９が重畳する第１の固定電極片１０３または第２の固定電極片１０４に隣接する第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４）に、振動時にも重畳しないように最大振幅（最大変位量）を規定することにより、常に変位の振動周波数と交流電圧の出力が同一の周波数で出力される。このため、振動発電器１００最適負荷は一定であり、その負荷に対応する負荷１１１を設定することにより、常に発電器の取り出し効率を高めることが可能となる。

・変形例
図５は、実施形態１の変形例に係る振動発電器１００Ａを示し、図５（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図５（ｂ）は振動体が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。図６（ａ）は、振動発電器１００Ａにおいて、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図６（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である。

振動発電器１００Ａでは、振動体１０７が静止した状態で、同じエレクトレット１０９が重畳している固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４の間隔はｓであり、異なるエレクトレット１０９が重畳している固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４の間隔はｓ＋ｄ（ｄ＞０）である点が振動発電器１００と異なる。
図５（ａ）および図６（ｂ）に示す実施形態では、第１の固定電極片１０３ａと第２の工程電極片１０４ａとには、おなじエレクトレット電極片１０９ａが重畳することから、その間の間隔はｓとなっている。同様に、第１の固定電極片１０３ｂと第２の工程電極片１０４ｂとの間および第１の固定電極片１０３ｃと第２の工程電極片１０４ｃとの間も間隔ｓとなっている。

一方、第１の固定電極片１０３ａと第２の固定電極片１０４ｃは、振動体１０７が静止した状態において重畳しているエレクトレット電極片が、それぞれ、エレクトレット電極片１０９ａとエレクトレット電極片１０９ｃと異なることから、その間の間隔はｓ＋ｄとなっている。同様に、第１の固定電極片１０３ｂと第２の固定電極片１０４ａとの間の間隔もｓ＋ｄとなっている。

ストッパ１１２は、好ましくは振動体１０７の最大変位量ＬＭがｗ＋ｓ／２以上かつｗ＋ｓ／２＋ｄ以下（ｗ＋ｓ／２≦ＬＭ≦ｗ＋ｓ／２＋ｄ）、より好ましくは最大変位量ＬＭがｗ＋（ｓ＋ｄ）／２となるように配置されている。
これにより、１つのエレクトレット電極片１０９（例えばエレクトレット電極片１０９ａ）に着目した場合、振動体１０７静止時および振動時に重畳することのない第１の固定電極片１０３や第２の固定電極片１０４（例えば、第１の固定電極片１０３ｂおよび第２の固定電極片１０４ｃ）との距離が遠くなり、振動体１０７が最大変位量ＬＭまで振動しても重畳することのないエレクトレット電極１０９により第１の固定電極片１０３や第２の固定電極片１０４に誘導電荷が生ずることをいっそう確実に抑制できる。

ｄの値は正であれば任意の値であってよいが、好ましくはｓ／４≦ｄ≦３ｓ／４であり、より好ましくはｄ＝ｓ／２である。振動発電器１００Ａの幅方向の長さがそれほど長くなることなく、上述の効果を十分に得ることができるからである。
なお、振動発電器１００Ａの各要素は、特段の断りが無い限り、振動発電器１００の対応する要素と同じ構成を有してよい。

本実施形態に係る振動発電器１００、１００Ａは、上述のように固定基板１０１、スペーサ１０５及びふた基板１１０によって閉空間が構成し、外気が混入することのない気密封止することが可能である。これによりエレクトレット電極片１０９からの電荷の脱離をより確実に抑制することができる。なお、封止構造を実現する構成は、上述の実施形態に限定されるものではなく任意の構成により実現してよい。

図１および図５に示す実施形態では、ばね１０６は、コイルばねの形態を有するが、ばね１０６は、コイルバネに限定されるものではなく、板状の高反発弾性材等、ばね動作をする限りに任意の形態を有してよい。

固定基板１０１、絶縁膜１０２、第１の固定電極片１０３、第２の固定電極片１０４、スペーサ１０５、振動体１０７、絶縁膜１０８、エレクトレット電極片１０９及びふた基板１１０を構成する材料については、上述した材料は例として示したものであり、これらに限定されるものではない。
すなわち、固定基板１０１およびふた基板１１０は、樹脂基板または金属ブロックで構成されてもよい。第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４は、アルミまたは銅などの導電性材料で構成されてもよい。エレクトレット電極片１０９は、有機系のエレクトレット材料で構成されてもよい。

図１および図５に示す実施形態では、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の上方にエレクトレット電極片１０９が位置するようになっているがこれに限定されるものではない。本発明に係る振動発電器では、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４とエレクトレット電極片１０９とが対向するように配置されればよい。例えば、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片の下方にエレクトレット電極片１０９が位置してもよく、また、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４とが垂直方向に順に配置され、これに対向する複数のエレクトレット電極片１０９も垂直方向に配置されてもよい。
また、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４とを振動基板１０７に配置し、エレクトレット電極片１０９を固定基板１０１に配置してもよい。

負荷１１２への引き出し配線は、図１および図５において、結線イメージで記載されているが、基板上の配線電極や基板貫通電極などを配置して接続してよいことは言うまでもない。
上述の実施形態では、エレクトレット電極片１０９にはマイナスの電荷が注入されているが、プラスの電荷が注入されてもよい。エレクトレット電極片１０９にプラスの電荷が注入されている場合、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４に誘導される誘導電荷の極性が負となり、電流方向が逆となるが、上述の実施形態と同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施形態２）
本実施形態に係る振動発電器では、静止状態において、エレクトレット電極片が第１の固定電極片と重畳（対向）している。さらに、振動体の振動中にエレクトレット電極片が静止状態で重畳した第１の固定電極片と隣接する２つの第２の固定電極片と重畳するとともに静止状態で重畳していない第１の固定電極片とは重畳しないように振動体の振動を規制している。これにより、振動体の振動が最大変位量に達しない場合も含め常に振動体の振動周波数の２倍の周波数で交流電圧が出力できる。
以下に本実施形態の詳細を示す。

図７は、本発明の実施形態２に係る振動発電器２００を示し、図７（ａ）は振動体１０７が静止状態にある場合を示す断面図であり、図７（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態にある場合を示す断面図である。図８（ａ）は、振動発電器２００において、振動体１０７が静止状態にある場合の部分拡大断面図であり、図６（ｂ）は振動体１０７が最大変位した状態の部分拡大断面図である。

なお、本実施形態に係る図に示された各要素は、特段に断りが無い限り、その構成は同じ符号を有する実施形態１の対応する要素と同じ構成を有してよい。
また、実施形態１と同じ構成を有してよい部分の説明の多くを省略する。

振動体１０７が静止している場合、振動体１０７に配置された複数のエレクトレット電極片１０９のそれぞれは、１つの第１の固定電極片１０３と重畳している。
好ましくは、図７（ａ）、図８（ａ）に示すように、複数のエレクトレット電極１０９のそれぞれは、１つの第１の固定電極片のみと重畳している。すなわち、振動体１０７が静止状態において、第２の固定電極片１０４と重畳していない。このような状態は、例えば、エレクトレット電極片１０９の幅（Ｘ方向の長さ）を第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４と同じ幅２ｗを有することにより達成できる。

そして、この静止した状態（あるいは振動中であっても振動体１０７の位置が静止した状態と同じ位置にある時）では、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量は最大となり、第１の固定電極片１０３にプラスの誘導電荷が最も多く誘起され、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量は最小となり、第２の固定電極片１０４に誘導されるプラスの電荷が最小となる。

振動体１０７が振動し、最大変位の状態で、エレクトレット電極片１０９は、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３と隣接する（隣り合う）２つの第２の固定電極片１０４のいずれか一方と重畳するようにストッパ１１２により規制される。また、ストッパ１１２は、振動体１０７が振動している間に、エレクトレット電極片１０９が静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３以外の第１の固定電極１０３と重畳することがないように振動体１０７の最大振幅（最大変位量）を規制する。

好ましくは、振動体１０７の振動中にエレクトレット電極片１０９が、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３に隣接した（隣り合う）２つの第２の固定電極片１０４の一方のみと重畳する状態が生ずるようにストッパ１１２により振動体１０７の最大変位量を規制する。
より好ましくは、振動体１０７の振動中にエレクトレット電極片１０９が、静止状態で重畳していた第１の固定電極片１０３に隣接した（隣り合う）２つの第２の固定電極片１０４の一方のみの幅方向全体に重畳する状態が生ずるようにストッパ１１２により振動体１０７の最大変位量を規制する。

図８を用いてこれを説明する。
複数のエレクトレット電極片１０９の中から１つのエレクトレット電極片１０９ａを例に説明する。
静止状態では、図８（ａ）に示すようにエレクトレット電極片１０９ａは、第１の固定電極片１０３ａと重畳（対向）している。第１のエレクトレット電極片１０３ａは、２つの第２の電極片１０４ａ、１０４ｂと隣接して（隣り合って）いる。
そして、図８（ｂ）は振動体１０７が図８のＸ方向（右方向）に変位ｗ＋３ｓ／２で最大変位した（変位量が最大となっている）場合を示す。
振動体１０７が図８のＸ方向（右方向）に振動（移動）し、その変位Ｌがｓ（ｓは、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４との間の間隔（距離））よりも大きくなると（ｓ＜Ｌ）、エレクトレット電極片１０９ａは、第２のエレクトレット電極１０４ａと重畳する（Ｌ＜２ｗでは第１のエレクトレット１０３ａにも重畳している。）
同様に振動体が図８の−Ｘ方向に振動（移動）し、その変位が−ｓより小さくなると（Ｌ＜−ｓ）、エレクトレット１０９ａは、第２のエレクトレット電極１０４ｂと重畳する（Ｌ＞−２ｗまでは第１のエレクトレット１０３ａにも重畳している。）
従って、最大変位量ＬＭがｓより大きい（ＬＭ＞ｓ）と、振動体１０７が振動している間、エレクトレット電極片１０９ａが、第２の固定電極片１０４ａまたは第２の固定電極片１０４ｂのいずれか一方に重畳した状態が出現する。

振動体１０７の変位Ｌが２ｗより大きくなると（Ｌ＞２ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａが、振動中に第２の固定電極片１０４ａのみと重畳する状態が出現する。
同様に変位Ｌが−２ｗより小さくなると（Ｌ＜−２ｗ）、エレクトレット電極片１０９ａが、振動中に第２の固定電極片１０４ａのみと重畳する状態が出現する。
従って、最大変位量ＬＭが２ｗより大きい（ＬＭ＞２ｗ）と、振動体１０７が振動している間、エレクトレット電極片１０９ａが、第２の固定電極片１０４ａまたは第２の固定電極片１０４ｂのいずれか一方にのみ重畳した状態が出現する。

振動体１０７の変位Ｌが２ｗ＋ｓ（Ｌ＝２ｗ＋ｓ）になるとエレクトレット電極片１０９ａは、第２の固定電極片１０４ａの幅全体に亘って重畳する。
同様に、振動体１０７の変位Ｌが−（２ｗ＋ｓ）になる（Ｌ＝−（２ｗ＋ｓ））とエレクトレット電極片１０９ａは、第２の固定電極片１０４ｂの幅全体に亘って重畳する。
従って、最大変位量ＬＭが２ｗ＋ｓ以上になる（ＬＭ≧２ｗ＋ｓ）と、振動体１０７が振動している間、エレクトレット電極片１０９ａが、第２の固定電極片１０４ａまたは第２の固定電極片１０４ｂのいずれか一方にのみ、その幅方向全長に亘って重畳した状態が出現する。

また図８から判るように、振動体１０７の変位Ｌが２ｗ＋２ｓより大きい（Ｌ＞２ｗ＋２ｓ）と、エレクトレット電極片１０９ａは、第１の固定電極片１０３ｃ（すなわち、静止状態で重畳していない第１の固定電極片１０３）に重畳してしまう。
同様に、振動体１０７の変位Ｌが−（２ｗ＋２ｓ）より小さい（Ｌ＜−（２ｗ＋２ｓ））と、エレクトレット電極片１０９ａは、第１の固定電極片１０３ｂ（すなわち、静止状態で重畳していない第１の固定電極片１０３）に重畳してしまう。
従って、最大変位量ＬＭを２ｗ＋２ｓより小さく（ＬＭ＜２ｗ＋２ｓ）することによって、エレクトレット１０９ａが静止状態で重畳していない第１の固定電極片１０３（図８の第１の固定電極片１０３ｂ、１０３ｃ）と重畳するのを防止できる。

上述の好ましい実施形態を実現できる例として、図８（ｂ）に示すように最大変位量ＬＭを２ｗ＋３ｓ／２とする（ＬＭ＝３ｓ／２）とすることを挙げることができる。
変位が２ｗ＋ｓ（または−（２ｗ＋ｓ）の時、複数のエレクトレット電極片１０９のそれぞれが、１つの第２の固定電極片１０４の幅方向全体に亘り重畳（対向）し、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量は最大となり、第２の固定電極片１０４にプラスの誘導電荷が最も多く誘起される一方、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量は最小となり、第１の固定電極片１０３に誘導されるプラスの電荷が最小となる。
振動基盤１０７が振動することにより、静止状態から最大変位の間でこのような電荷の増減により誘導電流が励起され、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４間に配置された負荷１１１にかかる電圧が変動することによって、振動発電器２００が発電する。

図９は、本実施形態に係る振動発電器２００の振動体の正弦波振動変位に対する交流電圧の変化を表したグラフである。
正弦波振動変位８０１は、振動体１０７の重量と、ばね１０６のばね定数等の特性とにより決定される固有周波数で振動体１０７が図７のＸ方向に２ｗ＋３ｓ／２の振幅で振動していることを示す。交流電圧８０２は、振動体１０７の正弦波振動変位８０１に伴い、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３との間の容量の変化と、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４との間の容量変化とに起因して、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４との間に生ずる電圧（交流電圧）を示す。

図９から判るように、振動体１０７の変位８０１が、ゼロから正の最大変位ｗ＋３ｓ／２に達し、ゼロに戻り、負の最大変位−（ｗ＋３ｓ／２）に達し、ゼロに戻る１周期の間に、交流電圧８０２はゼロから正の最大値に達し、ゼロへ戻り、負の最小値となる周期を２周期繰り返す。
すなわち、本実施形態に係る振動発電器２００は、常に、振動体１０７の振動の周波数の２倍の周波数の交流電力を発電することを特徴とする。このため、最適負荷が一定であり、負荷１１１を最適付加に設定することにより、常に発電器の取り出し効率を高めることが可能となる。

上述のようにエレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最大となる変位Ｌが２ｗ＋ｓより大きくなるまたは−（２ｗ＋ｓ）より小さくなっても、ストッパ１１２で規定された最大変位量が（２ｗ＋３ｓ／２）になるようにストッパ１１２により規定されていることから、エレクトレット電極片１０９が静止状態で重畳しない第１の固定電極片１０３と重畳することがない。このためエレクトレット電極片１０９が静止状態で重畳しない第１の固定電極片１０３とエレクトレット電極１０９との間で新たな交流電圧の波が発生せず、常に変位の振動周波数の２倍の周波数の交流電圧の出力が得られる。

また正弦波振動変位８０１がストッパ１１２で規定された最大変位量２ｗ＋３ｓ／２に到達しない場合においても、振動体１０７が０から最大変位し、ゼロへ戻り、最小変位し、ゼロに戻る１周期で、交流電圧８０２は２周期の変化となる。つまり、エレクトレット電極片１０９が、振動体１０７が静止した状態の時に重畳しない第１の固定電極片１０３に振動時にも重畳しないように、振動基盤１０７の最大変位量を規制することにより、常に変位の振動周波数と交流電圧の出力が２倍の周波数で出力される。

なお、図９に示すように、変位８０１と交流電圧８０２は、ピークの位置（交流電圧８０２の周波数が変位８０２の周波数の２倍であるため、変位８０１と交流電圧８０２の１つおきのピークの位置）が異なり、位相差を有している。振動発電器２００に接続する負荷１１１の条件等に応じて変位８０１と交流電圧８０２との間に位相差を生ずる場合がある。

図１０は、振動発電器２００を用いて、振動体１０７が自由振動減衰変位する場合の自由振動変位９０１および交流電圧９０２の時間変化を表したグラフである。
振動体１０７は、振動体１０７に外部から大きな加速度（外力）が加わり、ストッパ１１２で規定される最大変位量まで変位した後、震度体１０７の固有周波数ならびにばね１０６の減衰定数とエレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４との間の静電力とにより決まる減衰特性に従い、変位９０１のように、変位ゼロを中心に自由減衰振動変位をする。
変位９０１がゼロから最大になると、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量が最大から最小となり、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最小から最大となる。次に変位９０１が、最大からゼロに達すると、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量が最小から最大となり、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最大から最小となる。さらに、変位９０１が、ゼロから最小に達すると、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量が最大から最小となり、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最小から最大となる。またさらに、変位９０１が、最小からゼロに達すると、エレクトレット電極片１０９と第１の固定電極片１０３で成す容量が最小から最大となり、エレクトレット電極片１０９と第２の固定電極片１０４で成す容量が最大から最小となる。
このように、変位９０１が１周期する間に容量の変化およびこれに対応する交流電圧９０２の変化は２周期となる。つまり、振動発電器２００は、静止状態において、エレクトレット電極片１０９が第１の固定電極片１０３と重畳（対向）し、振動中にエレクトレット電極片が静止状態で重畳した第１の固定電極片１０３と隣接する２つの第２の固定電極片１０４と重畳するとともに静止状態で重畳しない第１の固定電極片１０３とは重畳しないように振動体１０７の振動を規制することにより、喩え、振動体１０７の振動が最大変位量に達しなくても常に変位９０１の振動周波数の２倍の周波数で交流電圧９０２が出力されるので、最適負荷は一定となる。

以下に、実施形態１および実施形態２で用いる、第１の固定電極片１０３、第２の固定電極片１０４、エレクトレット電極片１０９、振動体１０７、ばね１０６およびスペーサ１０５の構成を例示する。
図１１は、第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４の構成例を示す上面図である。
図１、図２および図５〜図８に示すように、第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４は複数本存在し、かつ互いに交互に配列されている。このような第１の固定電極片１０３と第２の固定電極片１０４は、図１１に示すように互いに噛み合うように２つの櫛歯形状を形成し、一方を第１の固定電極１０３、他方を第２の固定電極片１０４とすることにより形成してよい。複数の第１の固定電極１０３および第２の固定電極片１０４をそれぞれ、ひとつながりに構成することができ、負荷１１１との接続が容易となる。

図１２（ａ）はエレクトレット電極片１０９の構成例を示す上面図であり、図１２（ｂ）は、エレクトレット電極片１０９の別の構成例を示す上面図である。
エレクトレット電極片１０９は、図１２（ａ）に示すように、図１１に示した第１の固定電極片１０３および第２の固定電極片１０４と同様に櫛歯の構成でひとつながりにしてもよく、また図１２（ｂ）に示すように短冊状の構成を有して複数のエレクトレット電極片１０９が個々に分離されていてもよい。

図１３は、スペーサ１０５と振動体１０７とばね１０５と一体的に構成した例を示す斜視図である。図１３に示すような、スペーサ１０５と振動体１０７とばね１０６は、１つの基板をエッチングなどでくり貫いたひとつながりの構造体として形成できる。このような構成を有することにより、振動発電器全体の堅牢性を増加させることができる。
また、このようにすることにより、それぞれのばね１０６の間に設けたばね間隔（空隙）１１４により振動基板１０７の振幅を規制できる。より詳細には、ばね間隔（空隙）１１４の寸法が小さくなり（例えばゼロとなり）、ばね１０６がさらに縮むことができなくなることにより振動体振動基板１０７の振幅を規制できる。
すなわち、図１３に示す構成では、ばね１０６がストッパ１１２の機能を内包しているため、振動体１０７と接触して振動体１０７の振幅を規制するストッパ１１２を設けることなく振動基板１０７の振幅を規制できる。
このように、本発明に係る振動発電器では、振動体１０２の振幅を所望の範囲に規制できる限り、別途ストッパ１１２を設けなくてもよい。

１００、１００Ａ、２００ 振動発電器
１０１ 固定基板
１０２ 絶縁膜
１０３ 第１の固定電極片
１０４ 第２の固定電極片
１０５ スペーサ
１０６ ばね
１０７ 振動体
１０８ 絶縁膜
１０９ エレクトレット電極片
１１０ ふた基板
１１１ 負荷
１１２ ストッパ
３０１ 変位
３０２ 交流電圧
４０１ 変位
４０２ 交流電圧
８０１ 変位
８０２ 交流電圧
９０１ 変位
９０２ 交流電圧

Claims (8)

1. 固定基板と、
   該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ該固定基板に対して相対的に振動可能な振動体と、
   前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の一方に、該振動体の振動方向に交互に配置された、複数の第１の固定電極片と第２の固定電極片と、
   前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の他方に、前記振動方向に配置された複数のエレクトレット電極と、
   を有する振動発電器であって、
   前記振動体が静止している時、前記複数のエレクトレット電極のそれぞれが、上面視において１つの前記第１の固定電極片および１つの前記第２の固定電極片と重畳し、
   前記振動体が振動している間に、前記複数のエレクトレットのそれぞれが、前記振動体の静止時に重畳する前記１つの第１の固定電極片および前記１つの第２の固定電極片以外の前記第１の固定電極片および前記第２の固定電極片と上面視において重畳することがないように前記振動体の振幅が規制されていることを特徴とする振動発電器。
2. 前記振動体が振動している間に、前記エレクトレット電極片１０９が、上面視において、前記第１の固定電極片および前記第２の固定電極片の一方と重畳せず、かつ他方の幅方向全体に亘り重畳する状態が生ずることを特徴とする請求項１に記載の振動発電器。
3. 前記振動体の振幅の規制を行うために、前記振動体と接触可能に配置されたストッパが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電器。
4. 前記振動体が振動するための振動ばねを有し、該振動ばねの内部に設けた空隙の寸法変化により前記振動体の振幅の規制を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の振動発電器。
5. 固定基板と、
   該固定基板の１つの主面と対向する１つの主面を有し、かつ該固定基板に対して相対的に振動可能な振動体と、
   前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の一方に、該振動体の振動方向に交互に配置された、複数の第１の固定電極片と第２の固定電極片と、
   前記固定基板の１つの主面および前記振動体の１つの主面の他方に、前記振動方向に配置された複数のエレクトレット電極と、
   を有する振動発電器であって、
   前記振動体が静止している時、前記複数のエレクトレット電極のそれぞれが、上面視において１つの前記第１の固定電極片と重畳し、
   前記振動体が振動している間に、前記複数のエレクトレットのそれぞれが、上面視において、前記振動体の静止時に重畳する前記１つの第１の固定電極片と隣り合う２つの前記第２の固定電極片と重畳し、かつ前記振動体の静止時に重畳する前記１つの前記第１の固定電極片以外の前記第１の固定電極と重畳することがないように前記振動体の振幅が規制されていることを特徴とする振動発電器。
6. 前記振動体が振動している間に、前記エレクトレット電極片１０９が、上面視において、前記第１の固定電極片と重畳せず、かつ前記第２の固定電極片の幅方向全体に亘り重畳する状態が生ずることを特徴とする請求項５に記載の振動発電器。
7. 前記振動体の振幅の規制を行うために、前記振動体と接触可能に配置されたストッパが配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の振動発電器。
8. 前記振動体が振動するための振動ばねを有し、該振動ばねの内部に設けた空隙の寸法変化により前記振動体の振幅の規制を行うことを特徴とする請求項５または６に記載の振動発電器。