JP2011097718A - 発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】多方向の外部振動を効率的に発電に利用できる発電装置並びにこの発電装置を搭載した電気機器及び通信装置を得られるようにする。
【解決手段】発電装置は、第1の部材14に設けられた第1の電極5と、第1の電極5と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材15に設けられた第2の電極8と、第1の電極5と第2の電極8との間に設けられ、第1の電極5又は第2の電極8に設けられたエレクトレット材9と、第1の部材14と第2の部材15との間に設けられ、第1の部材14又は第2の部材15のいずれかと接触する複数の部材4とを有し、第1の部材14は第2の部材15に対して相対的に平面方向に回転する。
【選択図】図1
【解決手段】発電装置は、第1の部材14に設けられた第1の電極5と、第1の電極5と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材15に設けられた第2の電極8と、第1の電極5と第2の電極8との間に設けられ、第1の電極5又は第2の電極8に設けられたエレクトレット材9と、第1の部材14と第2の部材15との間に設けられ、第1の部材14又は第2の部材15のいずれかと接触する複数の部材4とを有し、第1の部材14は第2の部材15に対して相対的に平面方向に回転する。
【選択図】図1
Description
本発明は、発電装置及び発電装置を搭載する電気機器に関し、特に、エレクトレット材料を用いた静電誘導型発電装置及びこの発電装置を搭載する電気機器に関する。
従来、小型の静電誘導型発電装置が知られている。静電誘導型発電装置は、可変容量の電極に電荷を与え、その電荷により対向電極間にクーロン引力を働かせ、このクーロン引力に抗して振動子が振動することにより発生した振動エネルギーを電気エネルギーに変換することによって、発電を行う(例えば、特許文献1を参照。)。
図8(a)は特許文献1に開示された従来の静電誘導型発電装置の概略上面図であり、図8(b)は図8(a)の発電装置の2A−2A線に沿った概略断面図であり、図8(c)は図8(a)の発電装置の2B−2B線に沿った概略断面図である。
図8(a)〜(c)に示すように、この静電誘導型発電装置は、いわゆるエレクトレット発電装置であり、櫛形のエレクトレット材料電極102と可動電極105とが互いに所定の間隔を隔てて配置されている。可動電極105及び可動基板104は、不動基板101の上に設けられた固定構造体103a、103bにバネ駆動体106a、106bのような弾性部材を介して連結されている。2種類のバネ駆動体106a、106bを組み合わせることにより、可動基板104はXY平面内の任意の方向に運動できる。このバネがX軸方向又はY軸方向に振動することにより、電荷を保持しているエレクトレット材料電極102と、エレクトレット材料電極102に対向する可動電極105との重なり面積の増減が生じ、可動電極105に電荷の変化が生じる。静電誘導型発電装置は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。
また、他の発電装置を説明する例としては、例えば、特許文献2及び特許文献3等が挙げられる。
しかしながら、従来の静電誘導型発電装置では、可動基板はX軸方向又はY軸方向にのみ振動する。そのため、この静電誘導型発電装置は、X軸方向又はY軸方向以外の方向への外部振動を発電に利用することができなかった。
本発明は、前記従来の問題に鑑み、その目的は、多方向の外部振動を効率的に発電に利用できる発電装置並びにこの発電装置を搭載した電気機器及び通信装置を得られるようにすることにある。
前記の目的を達成するために、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材と、第1の部材と第2の部材との間に設けられ、第1の部材又は第2の部材のいずれかと接触する複数の部材とを有し、第1の部材は第2の部材に対して相対的に、平面方向に回転することを特徴とする。
また、本発明の発電装置は、少なくとも第1の部分と第2の部分とを有し、第1の部分と第2の部分とにより定義される空間と、第1の部分に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部分に設けられた第2の電極と、空間内において、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材とを有し、第1の部分又は第2の部分と接触する第3の部分を有しており、第1の部分又は第2の部分は回転錘であることを特徴としていてもよい。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、第1の電極と第2の電極との間に設けられ、第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材と、第1の部材又は第2の部材の間に設けられ、第1の部材又は第2の部材のいずれかと接触する部材とを有し、第1の部材は回転錘であることを特徴としていてもよい。
また、本発明の発電装置は、第1の部材に設けられた第1の電極と、第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、第1の部材は、回転錘であり(第1の部材は第2の部材に対して相対的に平面方向に回転する)、第1の電極は第2の電極に対して相対的に、平面方向に回転することを特徴としていてもよい。
本発明に係る発電装置によると、多方向の外部振動を効率的に発電に利用可能な発電装置並びにこのような発電装置を搭載した電気機器及び通信装置を得ることができる。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る発電装置について、図1を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、便宜変更は可能である。
本発明の第1の実施形態に係る発電装置について、図1を参照しながら説明する。また、本発明の以下の実施形態において用いている材料及び数値は、好ましい例を例示しているだけであり、この形態に限定されることはない。また、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲において、便宜変更は可能である。
図1(c)に示すように、第1の部材14は、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第1の基板1と、例えばプリント基板である第2の基板2と、例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなり、溝部を有するスペーサー3とを組み合わせた構造から構成されている。この第1の部材14における第2の基板2には、図1(a)に示すように中心近傍から外周方向にむかって延びるような略扇形の第1の電極5が一定の回転角度分の間隔を空けて複数形成されている。なお、略扇形の第1の電極5は発電効率の点から複数個形成されていることが好ましいが、1つでもよい。また、第1の部材14の一部であるスペーサー3は、後述する第2の部材15と対向する面上で、かつ、第1の部材14の外縁部に設置されており、スペーサー3に形成された溝部には、部材4が溝部と接触するように設置されている。なお、部材4は、回転可能な略球状の部材であることが好ましい。また、部材4は耐摩耗性材料又は超硬合金材料から形成されていることが好ましく、通常、Al2O3、Si3N4、ZrO2又はタングステンカーバイド等の材料から構成される。部材4が略球状であることにより、第2の部材15は回転による摩擦が低減され、発電効率を向上させることができる。また、部材4が耐摩耗性材料又は超硬材料であることによって、より摩擦に強い耐久性のある構造とすることができる。また、スペーサー3に形成される溝部は、上側から見た場合に、第1の部材14の外周に沿ってある範囲分の長さを有し、部材4が略球状の部材である場合には、その範囲の間において回転しながら移動可能であることが好ましい。また、このような溝部は部材4の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第1の部材14を上から見た形状が円状であれば、スペーサー3に形成される溝部は、円弧状である。また、このようにスペーサー3の溝部に略球状の部材4を組み合わせた構造は、ベアリング構造と呼ぶことも可能であり、ベアリング構造は略球状の部材4が回転できればよく、例えば円柱でもよいし、本実施形態の構成に限定されない。また、溝部に部材4が設置されたスペーサー3は、後述する第2の部材15に形成されていてもよい。なお、溝部は必ずしもスペーサー3に形成されている必要はなく、第1の部材14のうち後述する第2の部材15と対向する面に形成されていればよい。また、スペーサー3は第1の部材14と第2の部材15との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。また、部材4は略球状に限られるわけではなく、突起であってもよい。すなわち、第1の部材14と第2の部材15との間に、第1の部材14又は第2の部材15に接触する突起を有する構造であってもよい。
また、図1(c)に示すように、第2の部材15は例えば、クロム及びニッケルを含むステンレス合金等からなる第3の基板6と、例えば、シリコン基板等からなる第4の基板7とを組み合わせた構造から構成されている。第2の部材15の上面から見た形状は、図1(a)に示すように、略扇形形状であり、第1の部材14に対向するように配置されている。第2の部材15の一部である第3の基板6における、図1(a)及び図1(b)の領域Bに示す範囲であり、且つ、第1の部材14と対向する面上には、例えばシリコンからなる、第4の基板7が取り付けられている。ここで、第4の基板7における第1の部材14と対向している側の面には、第1の電極5と同様の回転角度分の間隔を空けて第2の電極8が複数形成されている。そして、第1の電極5と第2の電極8との間における第2の電極8側には、エレクトレット材9が形成されている。第2の電極8とエレクトレット材9とは、第1の電極5のような略扇形のストライプ構造のうち、一部を切り取ったような形状であり、第1の基板1の上に形成された電極と重なるように形成されている。図1(b)における符号8が第2の電極8とエレクトレット材9が形成されている部分であり、実際には第1の基板1に対向する面に形成されている。
また、図1(a)及び(b)に示すように、第1の部材14と第2の部材15とは、第1の部材14の中心付近において軸10と軸受け11とによって接続されている。ここで、第2の部材15は、軸10を中心として、第2の部材15の面方向に、第1の部材14に対して相対的に平行に回転可能な構造となっている。
なお、第2の部材15が軸10を中心に回転することによって、第1の電極5の形成部とエレクトレット材9の形成部との重なり部分はずれていき、一定の回転角分ずれると再び重なるようになっている。
ここで、第2の部材15は回転錘であればよく、扇形に限定されるものではない。また、半円形でもよい。第2の部材15が回転錘であることによって微小な振動でも振れやすくなり、発電効率を向上させることが可能となる。回転錘とは、回転軸から重心の位置がずれているものを指し、回転軸からずれる距離が遠くなるほど、遠心力による影響を受けやすく、振動のエネルギーを吸収しやすくなる。
ここで、第1の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの第2の部材15の動きを、図2を参照しながら説明する。
図2に示すように、第1の部材14を上側から見た形状は略円形であり、第2の部材15を上側から見た形状は、第1の部材14から一部を取り除いたような形状をしている。第2の部材15は、軸10を中心軸として第1の回転方向12及び第2の回転方向13に回転可能な回転錘として機能する。第2の部材15は錘であるため、小さな力でも効率的に振動することができる。
ここで、外部からの振動が小さい場合には、第2の部材15は、重力方向(Y軸方向)を中心に、第1の回転方向12に向かい、あるところから第2の回転方向13に向かうというような振り子運動をすることとなる。一方、外部からの振動が大きい場合には、第2の部材15は、第1の回転方向12又は第2の回転方向13に回転し続けるような運動をすることとなる。
また、第1の部材14は固定されているため、第2の部材15のように、外部振動に呼応した回転運動は生じない。
次に、第1の実施形態に係る発電装置に外部振動が与えられたときの、発電のメカニズムについて説明する。
まず、外部振動が発電装置に加わると、第2の部材15の振動に呼応して、第2の電極8も軸10を中心軸として第1の回転方向12又は第2の回転方向13に回転する。すると、固定されている第1の部材14に配置されている第1の電極5と第1の回転方向12又は第2の回転方向13に振動するエレクトレット材9との重なり面積に増減が生じるため、第2の電極8に誘起される電荷に変化が生じることとなる。この電荷の変化による電流を電気エネルギーとして外部に取り出すことにより発電を行う。
第1の実施形態に係る発電装置によると、第2の部材15の回転に呼応する第2の電極8に生じる電荷の変化を、電気エネルギーとして取り出すことが可能となる。そのため、従来技術と比較して、平面内のあらゆる方向の振動を効率よく発電に利用することができる効果がある。
また、第1の実施形態に係る発電装置によると、スペーサー3に形成された部材4によって、第1の電極5と、それに対向するエレクトレット材9との間のギャップ(空間)の変動を制御することができる。小型で、且つ、発電量を大きくするためには、第1の電極5とエレクトレット材9との距離を縮めることが必要となる。しかし、一方で、距離を縮め過ぎると、第1の電極5とエレクトレット材9との間において生じるクーロン力の影響により、第1の電極5とエレクトレット材9とが互いに引っ張り合って動きづらくなったり、張り付いてしまう等のおそれがある。ここで、スペーサー3に形成された部材4により、第1の電極5とエレクトレット材9との間のギャップの変動を抑制し、第1の電極5とエレクトレット材9とが張り付くことを防止することが可能となる。
また、第1の実施形態に係る発電装置によると、スペーサー3に形成された部材4によって第2の部材15が滑らかに回転することが可能となる。そのため、より多くの発電量を得ることができる効果がある。本実施形態では、スペーサー3に形成された溝部に、略球状の部材4を配置したベアリング構造により、第2の部材15と第1の部材14との間に発生する摩擦を小さくし、発電効率を向上させることが可能となる。さらに、第1の電極5とエレクトレット材9との間にクーロン引力が生じている状態であっても第1の部材14と第2の部材15との間の摩擦力を低減させることができ、より効率よく発電することができる。なお、第1の電極5とエレクトレット材9との接触を防ぐためには、スペーサー3として、耐磨耗性材料又は超硬材料からなる突起部を形成してもよい。また、この突起部は第2の部材15に形成されていてもよい。
ここで、エレクトレット材9は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等よりも引張り応力の大きい絶縁膜により覆われていることが好ましい。シリコン酸化膜をシリコン窒化膜により覆うことによって、シリコン酸化膜部に注入される電荷を抜けにくくすることができ、発電効率を高めることができる。なお、電荷を抜けにくくするためには、エレクトレット材9の側面、下面及び上面が完全にシリコン窒化膜により覆われていることが好ましい。
また、エレクトレット材9は、例えばシリコン酸化膜ではなく、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)膜により形成してもよい。PZTは強誘電特性を有するため、分極すれば、エレクトレット材9となる。PZT膜の最表面に電荷が存在するため、対向する電極に対して電荷の中心が最も近くなる。これによって静電誘導により得られる電荷量が増え、発電効率を向上させることができる。
ここで、本実施形態では第2の部材15にエレクトレット材9を配置したが、第1の部材14にエレクトレット材9を配置しても構わない。
なお、エレクトレット材9は、絶縁体の中に電荷を保持したものであるが、材料の持つ絶縁耐圧を超えて電荷を保持することはできない。従って必要な電荷量に対応して厚さを制御する必要がある。絶縁耐圧の低い材料では相対的に厚みが増し、電荷の中心と対向電極との距離が相対的に遠くなるため、発電効率が落ちる傾向にある。そのため、絶縁耐圧の高いシリコン酸化膜等が有効であり、発電効率が大きくなる。
また、発電量を増加させるためには、第1の電極5とエレクトレット材9との距離は短いほうがよく、50μm以下程度であることが好ましい。また、そのためには、厚さがそれぞれ0.5μm程度であり、材料がそれぞれ金及びポリシリコン等からなる第1の電極5と第2の電極8との間の距離が50μm以下程度であることが好ましい。ここで、本実施形態では、例えば、第1の電極5が形成される第2の基板2を500μm程度の厚さとし、略球状の部材4の直径を、200μm〜300μm程度とし、第1の電極5と厚さが2μm〜3μm程度であるエレクトレット材9との距離を50μm程度とすることが好ましい。特に、本発明による構造によると、第1の電極5とエレクトレット材9との距離を精度よく制御することができる。そのため、第1の電極5とエレクトレット材9との距離が50μm以下程度と小さい領域でも両者の張り付きを防止することができる。ただし、これらの数値は好ましい値を例示したにすぎず、この数値に限定されるものではない。
次に、本発明の第1の実施形態に係る発電装置の製造方法について図3〜図5を用いて説明する。
まず、図3(a)及び図3(b)に示すように、第1の部材14を形成する。第2の基板2に第1の電極5を形成し、第1の基板1に設置する。また、スペーサー3の溝部に、例えば、球状の耐摩耗性材料又は超硬材料からなる部材4を組み込んだものを第1の基板1の外縁部に設置する。
また、図4(a)及び図4(b)に示すように、第2の部材15を形成する。第2の部材15は、第3の基板6の一部に、第4の基板7を設置した構造になっている。ここで、第3の基板6の一部に溝部を形成し、第4の基板7をはめ込むように形成することが好ましい。なお、第4の基板7は図4(a)の領域Bで表す部分の形状をしている。第4の基板7には第2の電極8が図1(b)に示したようにパターニングされており、第2の電極8の上にはエレクトレット材9が形成されている。
次に、図5(a)及び図5(b)に示すように、軸10と軸受け11とを用いて、第1の部材14と第2の部材15とを接続する。前述した第1の部材14における第1の電極5が形成されている面と、第2の部材15におけるエレクトレット材9が形成されている面とが向かい合うように、軸10と軸受け11とにより第1の部材14と第2の部材15を接続する。このとき、第3の基板6は第1の部材14に対して相対的に回転可能であるように接続されている。
(第1の実施形態の第1の変形例)
本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る発電装置について図6を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態の第1の変形例に係る発電装置について図6を参照しながら説明する。
第1の実施形態の第1の変形例に係る発電装置は、第1の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図6に示すように、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。図6においては、簡略化のために、渦巻き形状を線状にて記載しているが、発電効率の観点から、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9は、それぞれある程度の幅を持っている。
以上のように第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9を配置することにより、電極が渦巻き状に一続きになっているため、それぞれの電極ブロック間の接続が必要なく、最外周部で容易に外部配線と接続することができる効果がある。
(第1の実施形態の第2の変形例)
本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る発電装置について図7を参照しながら説明する。
本発明の第1の実施形態の第2の変形例に係る発電装置について図7を参照しながら説明する。
第1の実施形態の第2の変形例に係る発電装置は、第1の実施形態に係る発電装置と比較して、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の上から見たときの形状が異なり、それ以外の構成は同様である。
具体的には、図7に示すように、第1の電極5、第2の電極8及びエレクトレット材9の形状をそれぞれブロック形状として、千鳥状に配置してもよい。言い換えれば、ブロック形状の第1の電極5、ブロック形状の第2の電極8及びブロック形状のエレクトレット材9がそれぞれ、第1の部材14の中心(回転軸)近傍から外周方向に向かって延びるように複数配置されることとなる。また、第2の電極8及びエレクトレット材9は重なるように配置され、第1の電極5はそれらとは重なるように対向して配置される。
本発明は前記実施形態に限定されるものではない。さらに、それぞれの実施形態及び変形例を適宜組み合わせることも可能である。
また、第1の実施形態及びその変形例においては、エレクトレット材9が第1の電極5と第2の電極8との間に配置される構成について説明したが、第1の電極5と第2の電極8との間に、外部から電荷を供給できるような電荷供給機構があれば、必ずしも必要ではない。しかしながら、第1の電極5と第2の電極8との間には多くの電荷が供給される必要がある。従って、その観点からは、エレクトレット材9が第1の電極5と第2の電極8との間に配置される方が好ましい。
本発明に係る発電装置は、多方向の外部振動を効率的に発電に利用可能な発電装置並びにこのような発電装置を搭載した電気機器及び通信装置が得ることができ、特に、エレクトレット材料を用いた静電誘導型発電装置及びこの発電装置を搭載する電気機器等に有用である。
1 第1の基板
2 第2の基板
3 スペーサー
4 部材
5 第1の電極
6 第3の基板
7 第4の基板
8 第2の電極
9 エレクトレット材
10 軸
11 軸受け
12 第1の回転方向
13 第2の回転方向
14 第1の部材
15 第2の部材
2 第2の基板
3 スペーサー
4 部材
5 第1の電極
6 第3の基板
7 第4の基板
8 第2の電極
9 エレクトレット材
10 軸
11 軸受け
12 第1の回転方向
13 第2の回転方向
14 第1の部材
15 第2の部材
Claims (14)
- 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に設けられ、前記第1の電極又は前記第2の電極に設けられたエレクトレット材と、
前記第1の部材と第2の部材の間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材のいずれかと接触する複数の部材とを有し、
前記第1の部材は前記第2の部材に対して相対的に、平面方向に回転することを特徴とする発電装置。 - 前記第1の部材又は前記第2の部材のいずれかと接触する前記複数の部材は、前記第1の部材又は前記第2の部材に形成された溝部に接触していることを特徴とする請求項1に記載の発電装置。
- 前記第1の部材の中心近傍には軸が形成されており、
前記軸は、前記第1の部材の平面方向に対して垂直方向に伸びており、
前記第1の部材と前記第2の部材は前記軸により接続していることを特徴とする請求項1又は2のいずれか1項に記載の発電装置。 - 前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって延びるように形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の電極は、前記第1の部材の中心近傍から外周方向に渦巻き状に形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の電極は、ブロック状の電極が前記第1の部材の中心近傍から外周方向に向かって複数形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の電極は、ブロック状の電極が千鳥配置となるようにして形成されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の部材又は前記第2の部材のいずれかと接触する前記複数の部材は、それぞれ、略球形をしていることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の部材又は前記第2の部材のいずれかと接触する前記複数の部材は、耐磨耗性材料からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の部材又は前記第2の部材のいずれかと接触する前記複数の部材は、超硬材料からなることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の発電装置。
- 前記第1の電極と前記第2の電極の間の間隔は、50μm以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の発電装置。
- 少なくとも第1の部分と第2の部分とを有し、
前記第1の部分と前記第2の部分とにより定義される空間と、
前記第1の部分に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、前記第2の部分に設けられた第2の電極と、
前記空間内において、前記第1の電極又は第2の電極に設けられたエレクトレット材とを有し、
前記第1の部分又は第2の部分と接触する第3の部分を有しており、
前記第1の部分又は第2の部分は回転錘であることを特徴とする発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極の間に設けられ、前記第1の電極又は前記第2の電極に設けられたエレクトレット材と、
前記第1の部材又は第2の部材の間に設けられ、前記第1の部材又は第2の部材のいずれかと接触する部材とを有し、
前記第1の部材は回転錘であることを特徴とする発電装置。 - 第1の部材に設けられた第1の電極と、
前記第1の電極と間隔を隔てて対向するように設けられ、第2の部材に設けられた第2の電極と、
前記第1の部材は前記第2の部材に対して相対的に、平面方向に回転し、
前記第1の電極は前記第2の電極に対して相対的に、平面方向に回転することを特徴とする発電装置。
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