JP2011097807A - 発電装置 - Google Patents

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２２に設けられた第１の電極１２と、第２の部材２３に設けられた第２の電極１３及び第３の電極１５と、第３の部材２４に設けられた第４の電極１７とを有し、第１の電極１２と第２の電極１３とは、間隔を隔てて対向するように設けられ、第３の電極１５と第４の電極１７とは、間隔を隔てて対向するように設けられており、第２の部材２３は、第１の部材２２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１１（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１１（ｂ）は図１１（ａ）の発電装置の２Ａ−２Ａ線に沿った概略断面図であり、図１１（ｃ）は図１１（ａ）の発電装置の２Ｂ−２Ｂ線に沿った概略断面図である。

図１１（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、例えば、特許文献２及び特許文献３等が挙げられる。

特開２００８−８６１９０号公報 特表２００５−５２９５７４号公報 特開２００９−８１９６８号公報

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２の部材に設けられた第２の電極及び第３の電極と、第３の部材に設けられた第４の電極とを有し、第１の電極と第２の電極とは、間隔を隔てて対向するように設けられ、第３の電極と第４の電極とは、間隔を隔てて対向するように設けられており、第２の部材は、第１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。

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。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）に示す発電装置のうち上部に設置されている部材を取り除いたときの概略斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置を示し、（ａ）は概略上面図であり、（ｂ）は図１（ａ）及び図２（ａ）のIIｂ−IIｂ線における概略断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電装置の動作を説明する図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置の製造方法の一工程を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のIVｂ−IVｂ線における概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置の製造方法の一工程を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＶｂ−Ｖｂ線における概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置の製造方法の一工程を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のVIｂ−VIｂ線における概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置の製造方法の一工程を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のVIIｂ−VIIｂ線における概略断面図である。 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を示す概略断面図である。 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の電極形状を示す概略上面図である。 本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る発電装置の電極形状を示す概略上面図である。 （ａ）〜（ｃ）は従来の発電装置を示し、（ａ）は概略上面図であり、（ｂ）は（ａ）の２Ａ−２Ａ線における概略断面図であり、（ｃ）は（ａ）の２Ｂ−２Ｂ線における概略断面図である。

（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及び図２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（ａ）及び（ｂ）並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の部材２２は、第１の基板１、第２の基板２及び第１のスペーサー３から構成されている。また、第２の部材２３は、第３の基板５、第４の基板６及び第５の基板７から構成されている。また、第３の部材２４は、第６の基板８、第７の基板９及び第２のスペーサー１０から構成されている。第１の部材２２、第２の部材２３及び第３の部材２４の詳細については後述する。

図１（ａ）及び（ｂ）並びに図２（ａ）に示すように、第１の部材２２と第３の部材２４を上から見た形状は、それぞれ略円形であり、第２の部材２３を上から見た形状は、第１の部材２２又は第３の部材２４から一部を取り除いたような形状をしており、略扇形である。なお、図２（ａ）は第３の部材２４を省略した図である。

また、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の部材２２、第２の部材２３及び第３の部材２４は、第１の部材２２及び第３の部材２４の中心付近において軸１８と軸受け１９とによって接続されている。ここで、第２の部材２３は、軸１８を中心として、第２の部材２３の面方向に、第１の部材２２及び第３の部材２４に対して相対的に平行に回転可能な構造となっている。

ここで、第２の部材２３は、扇形に限定されるものではない。例えば、半円形でもよい。また、第２の部材２３が回転錘であってもよい。第２の部材２３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、発電効率が向上する。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。

次に、第１の部材２２、第２の部材２３及び第３の部材２４の詳細を説明する。

図２（ｂ）に示すように、第１の部材２２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、溝部を有する第１のスペーサー３とを組み合わせた構造から構成されている。第１のスペーサー３は、第１の部材２２と第２の部材２３とが対向する面上で、且つ、第１の部材２２の外縁部に設置されている。また、第１のスペーサー３の溝部には、部材４がその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、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２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２３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合金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、第１のスペーサー３に形成される溝部は、上側から見た場合に、第１の部材２２の外縁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２２を上から見た形状が円状であれば、第１のスペーサー３に形成された溝部は、円弧状である。また、このように第１のスペーサー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が設置された第１のスペーサー３は、第２の部材２３に形成されていてもよい。

なお、溝部は必ずしも第１のスペーサー３に形成されている必要はなく、第１の部材２２のうち第２の部材２３と対向する面に形成されていればよい。

また、第１のスペーサー３は第１の部材２２と第２の部材２３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２２と第２の部材２３との間に、第１の部材２２又は第２の部材２３に接触する突起を有する構造であってもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、第２の部材２３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５と、例えば、シリコン基板等からなる第４の基板６と、例えば、シリコン基板等からなる第５の基板７とを組み合わせた構造から構成されている。ここで、第４の基板６は、第３の基板５の面上で、且つ、第１の部材２２と対向する側に設置されている。また、第５の基板７は、第３の基板５の面上で、且つ、第３の部材２４と対向する側に設置されている。また、第４の基板６と第５の基板７とはそれぞれ、略扇形をした第３の基板５における図１（ｂ）及び図２（ａ）の領域Ｂとして示す部分の下方に設置されている。

また、図２（ｂ）に示すように、第３の部材２４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６の基板８と、例えばプリント基板である第７の基板９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、溝部を有する第２のスペーサー１０とを組み合わせた構造から構成されている。第２のスペーサー１０は、第２の部材２３と第３の部材２４とが対向する面上で、且つ、第３の部材２４の外縁部に設置されている。また、第２のスペーサー１０の溝部には、部材１１が溝部と接触するように設置されている。なお、部材１１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１１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、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＺｒＯ_２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１１が略球状であることにより、第２の部材２３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１１が耐摩耗性材料又は超硬合金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、第２のスペーサー１０に形成される溝部は、上側から見た場合に、第３の部材２４の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材１１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１１の数に応じて複数あることが好ましい。ここで、第３の部材２４を上から見た形状が円状であれば、第２のスペーサー１０に形成された溝部は、円弧状である。また、このように第２のスペーサー１０の溝部に略球状の部材１１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１１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１１が設置された第２のスペーサー１０は第２の部材２３に形成されていてもよい。

なお、溝部は必ずしも第２のスペーサー１０に形成されている必要はなく、第３の部材２４のうち第２の部材２３と対向する面に形成されていればよい。

また、第２のスペーサー１０は第２の部材２３と第３の部材２４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１１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２の部材２３と第３の部材２４との間に、第２の部材２３又は第３の部材２４に接触する突起を有する構造であってもよい。

第１の部材２２の一部である第２の基板２の、第２の部材２３に対向する面には、図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、中心近傍から外周方向に向かって延びるような略扇形の第１の電極１２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１２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。

第２の部材２３の一部である第４の基板６の、第１の部材２２に対向する面には、第１の電極１２と同様の回転角度分の間隔を空けて第２の電極１３が形成されている。そして、第１の電極１２と第２の電極１３との間における第２の電極１３側には、第１のエレクトレット材１４が形成されている。第２の電極１３とその上に形成されている第１のエレクトレット材１４とは、第１の電極１２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の部材２２に形成された第１の電極１２とちょうど重なるように第２の電極１３と第１のエレクトレット材１４とが形成されている。図２（ａ）における符号１３、１４が第２の電極１３と第１のエレクトレット材１４とが形成されている部分であり、実際には第１の部材２２に対向する面に形成されている。

第２の部材２３の一部である第５の基板７の、第３の部材２４に対向する面には、後述する第４の電極１７と同様の回転角度分の間隔を空けて第３の電極１５が形成されている。また、第３の電極１５と後述する第３の部材２４に配置された第４の電極１７との間における第３の電極１５側には、第２のエレクトレット材１６が形成されている。第３の電極１５とその上に形成されている第２のエレクトレット材１６とは、後述する第４の電極１７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３の部材２４に形成された第４の電極１７とちょうど重なるように第３の電極１５と第２のエレクトレット材１６とが形成されている。図２（ａ）における符号１５、１６が第３の電極１５と第２のエレクトレット材１６とが形成されている部分であり、実際には第３の部材２４に対向する面に形成されている。

第３の部材２４の一部である第７の基板９の、第２の部材２３に対向する面には、第１の電極１２と同様の形状となるように、第４の電極１７が形成されている。ここで、第１の電極１２と同様の回転角度分の間隔を空けて第４の電極１７が複数形成されていた方が好ましいが、第３の電極１５と同様の回転角度分の間隔を空けて形成されていれば、構わない。

なお、第２の部材２３が軸１８を中心に回転することによって、第１の電極１２の形成部及び第４の電極１７の形成部と第１のエレクトレット材１４の形成部及び第２のエレクトレット材１６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。

なお、本実施形態では第１の部材２２が第１の基板１、第２の基板２及び第１のスペーサー３から構成されている例を示したが、第１の部材２２の構成はこれに限定されない。すなわち、一つの基板により構成されていてもよいし、２以上の基板又はスペーサー等から構成されていてもよい。同様に、第２の部材２３は一つの基板により構成されていてもよいし、２以上の基板又はスペーサー等から構成されていてもよい。同様に、第３の部材２４も一つの基板により構成されていてもよいし、２以上の基板又はスペーサー等から構成されていてもよい。

また、本実施形態では部材４、１１はそれぞれ、第１の部材２２と第３の部材２４に形成されているが、第２の部材２３に形成されていてもよい。

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第２の部材２３の動きを、図３を参照しながら説明する。

図３に示すように、第１の部材２２及び第３の部材２４を上側から見た形状は略円形であり、第２の部材２３を上側から見た形状は、第１の部材２２又は第３の部材２４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２３は、軸１８を中心軸として第１の回転方向２０及び第２の回転方向２１に回転可能である。第２の部材２３は回転錘であってもよい。第２の部材２３が錘であることによって、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２３は、重力方向（Ｙ軸方向）を中心に、第１の回転方向２０に向かい、あるところから第２の回転方向２１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２３は、第１の回転方向２０又は第２の回転方向２１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２２及び第３の部材２４は固定されているため、第２の部材２３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２３の振動に呼応して、第２の電極１３も軸１８を中心軸として第１の回転方向２０又は第２の回転方向２１に回転する。すると、固定されている第１の部材２２に配置されている第１の電極１２及び第３の部材２４に配置されている第４の電極１７と、第１の回転方向２０又は第２の回転方向２１に振動する第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６との重なり面積に増減が生じるため、第１の電極１２及び第４の電極１７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２３の回転に呼応する第１の電極１２及び第４の電極１７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、第２の部材２３の片面だけでなく両面に電極及びエレクトレット材を配置しているので、第２の部材２３の片面だけに電極又はエレクトレット材が形成されているときに比べて発電量を増加させ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、第１のスペーサー３及び第２のスペーサー１０に形成された部材４、１１によって、第１の電極１２と、それに対向する第１のエレクトレット材１４との間のギャップ（空間）の変動を制御することができる。同様に、第４の電極１７と、それに対向する第２のエレクトレット材１６との間のギャップ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１２と第１のエレクトレット材１４との距離又は第４の電極１７と第２のエレクトレット材１６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、電極とエレクトレット材との間において生じるクーロン力の影響により、電極とエレクトレット材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、第１のスペーサー３及び第２のスペーサー１０に形成された部材４、１１により、電極とエレクトレット材との間のギャップの変動を抑制し、電極とエレクトレット材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、第１の電極１２と第１のエレクトレット材１４との間において生じるクーロン力と、第４の電極１７と第２のエレクトレット材１６との間において生じるクーロン力とがつりあう。従って、第１の電極１２と第１のエレクトレット材１４とが張り付いてしまうこと、及び第４の電極１７と第２のエレクトレット材１６とが張り付いてしまうことを防止することができる。

また、第１の実施形態に係る発電装置によると、第１のスペーサー３及び第２のスペーサー１０に形成された部材４、１１によって、第２の部材２３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、スペーサー部に形成された溝部に、略球状の部材を配置したベアリング構造により、第２の部材２３と第１の部材２２との間又は第２の部材２３と第３の部材２４との間に発生する回転摩擦を小さくし、発電効率を向上させることが可能となる。なお、電極とエレクトレット材との接触を防ぐためには、スペーサーとして、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２３に形成されていてもよい。

ここで、第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６は、例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜からなり、シリコン窒化膜等のエレクトレット材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、第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６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、エレクトレット材となる。ＰＺＴ膜の最表面に電荷が存在するので、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２３に第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６を配置したが、第１の部材２２及び第３の部材２４に第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６を配置しても構わない。

なお、エレクトレット材は、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、発電効率が低下する傾向にある。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１２及び第４の電極１７と第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６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１２と第２の電極１３との距離と、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３の電極１５と第４の電極１７との距離が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１２が形成される第２の基板２を５００μｍ程度の厚さとし、第４の電極１７が形成される第７の基板９を５００μｍ程度の厚さとし、略球状の部材４、１１の直径を、２００μｍ〜３００μｍ程度とし、第１の電極１２と厚さが２μｍ〜３μｍ程度である第１のエレクトレット材１４との距離を５０μｍ程度とし、第４の電極１７と厚さが２μｍ〜３μｍ程度である第２のエレクトレット材１６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、電極とエレクトレット材との距離を精度よく制御することができる。そのため、電極とエレクトレット材との距離が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４〜図７を参照しながら説明する。

まず、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、第１の部材２２を形成する。第２の基板２に第１の電極１２を形成し、第１の基板１に設置する。ここで、第１の基板１の一部に溝部を形成し、第２の基板２をはめ込むように形成することが好ましい。また、第１のスペーサー３の溝部に例えば耐摩耗性材料又は超硬材料からなる略球状の部材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。

同様に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第３の部材２４を形成する。第７の基板９に第４の電極１７を形成し、第６の基板８に設置する。ここで、第６の基板８の一部に溝部を形成し、第７の基板９をはめ込むように形成することが好ましい。また、第２のスペーサー１０の溝部に例えば耐磨耗性材料又は超硬材料からなる略球状の部材１１を組み込んだものを、第６の基板８の外縁部に設置する。

また、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、第２の部材２３を形成する。第２の部材２３は、第３の基板５の一部に、第４の基板６を設置した構造になっている。また、第３の基板５の、第４の基板６を設置した面と反対側の面には、第５の基板７が設置されている。

ここで、第４の基板６は、図６（ａ）の領域Ｂとして表す部分と同様の形状をしている。第４の基板６には第２の電極１３が図２（ａ）に示したように形成されており、第２の電極１３の上には第１のエレクトレット材１４が形成されている。同様に、第５の基板７には、第３の電極１５及び第２のエレクトレット材１６が順次形成されている。また、第４の基板６に形成される電極と第５の基板７に形成される電極の形状はほぼ等しい。

次に、図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、軸１８と軸受け１９とを用いて、第１の部材２２と第２の部材２３と第３の部材２４とを接続する。前述した第１の部材２２における電極が形成されている面及び第３の部材２４の電極が形成されている面を、それぞれ第２の部材２３と対向させる。また、第１の部材２２と第３の部材２４とにより第２の部材２３をはさむようにして、軸１８と軸受け１９とにより第１の部材２２と第２の部材２３と第３の部材２４とを接続する。このとき、第２の部材２３は、第１の部材２２及び第３の部材２４に対して相対的に平行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８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、電極の配置及びエレクトレット材の配置が異なり、それ以外の構成は同様である。

第１の部材２２の面上には、図２（ａ）に示したような略扇形の第１の電極１２が一定の回転角度分の間隔をあけてストライプ状に形成されている。また、第３の部材２４の、第２の部材２３に対向する面上には、第１の電極１２と同様に略扇形の第４の電極１７が一定の回転角度分の間隔をあけてストライプ状に形成されている。第１の部材２２及び第３の部材２４はそれぞれ固定されており、第２の部材２３は、第１の部材２２及び第３の部材２４に対して相対的に平面方向に回転可能である。

ここで、図８に示すように、第１の部材２２と第３の部材２４とにおいて、第１の電極１２と第４の電極１７とがちょうど重ならないように一定の回転角度分ずらして固定する。さらに説明すると、第１の電極１２、第２の電極１３、第３の電極１５、第１のエレクトレット材１４及び第２のエレクトレット材１６は重なって配置されるが、第４の電極１７だけは、これらとずれるように配置される。

以上のように電極とエレクトレット材とが配置されると、図８に示すように、第１の電極１２と第２の電極１３とがちょうど重なって対向しているときは、第３の電極１５と第４の電極１７とが一定の回転角度分ずれている状態となる。逆に、第３の電極１５と第４の電極１７とがちょうど重なって対向しているときには、第１の電極１２と第２の電極１３とが一定の回転角度分ずれた状態となる。

第１の実施形態の第１の変形例によると、第１の電極１２と第２の電極１３とがちょうど重なっているときは、第１の電極１２と第２の電極１３との間に働く力は垂直方向となり、安定する。一方で、第３の電極１５と第４の電極１７とは一定の回転角度分ずれているため、第４の電極１７のうちの一つの電極に対向する面の左右には、それぞれ第２のエレクトレット材１６が存在することになる。このため、第４の電極１７のうちの一つの電極と第２のエレクトレット材１６との間に働く力は垂直方向とはならず、不安定な状態となる。従って、微弱な振動を与えるだけで左右どちらかに引かれるため、回転運動を助けることとなり、発電効率を向上させることが可能となる。

なお、図８においては、第４の電極１７の位置と第３の電極１５及び第２のエレクトレット材１６の位置とが完全にずれる状態を示しているが、一部重なるようにしてずれても構わない。

なお、本変形例では第４の電極１７の位置と第３の電極１５及び第２のエレクトレット材１６の位置とがずれるように配置したが、第１の電極１２の位置と、第２の電極１３及び第１のエレクトレット材１４との位置をずらしても構わない。

（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９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、電極及びエレクトレット材を上から見たときの形状が異なり、それ以外の構造は同様である。

具体的には、図９に示すように、電極及びエレクトレット材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、第１の部材２２と第２の部材２３との関係において、ブロック形状の第１の電極１２、ブロック形状の第２の電極１３及びブロック形状の第１のエレクトレット材１４がそれぞれ、第１の部材２２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１３及び第１のエレクトレット材１４は重なるように配置され、第１の電極１２はそれらと重なるように対向して配置される。

また、第２の部材２３と第３の部材２４との関係において、ブロック形状の第３の電極１５、ブロック形状の第４の電極１７及びブロック形状の第２のエレクトレット材１６がそれぞれ、第３の部材２４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３の電極１５及び第２のエレクトレット材１６は重なるように配置され、第４の電極１７はそれらと重なるように対向して配置される。図９は第３の部材２４を省略した略上面図である。

（第１の実施形態の第３の変形例）
本発明の第１の実施形態の第３の変形例に係る発電装置について図１０を参照しながら説明する。

第１の実施形態の第３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、電極及びエレクトレット材を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１０に示すように、電極及びエレクトレット材の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。図１０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、電極及びエレクトレット材は、それぞれある程度の幅を持っている。

以上のように電極及びエレクトレット材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。

なお、本発明は第１の実施形態及びその変形例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、第１のエレクトレット材１４が第１の電極１２と第２の電極１３との間に配置され、第２のエレクトレット材１６が第３の電極１５と第４の電極１７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１２と第２の電極１３との間、又は、第３の電極１５と第４の電極１７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、それぞれの電極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、エレクトレット材がそれぞれの電極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を得ることができ、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 第１のスペーサー
４ 部材
５ 第３の基板
６ 第４の基板
７ 第５の基板
８ 第６の基板
９ 第７の基板
１０ 第２のスペーサー
１１ 部材
１２ 第１の電極
１３ 第２の電極
１４ 第１のエレクトレット材
１５ 第３の電極
１６ 第２のエレクトレット材
１７ 第４の電極
１８ 軸
１９ 軸受け
２０ 第１の回転方向
２１ 第２の回転方向
２２ 第１の部材
２３ 第２の部材
２４ 第３の部材

Claims (15)

1. 第１の部材に設けられた第１の電極と、
   第２の部材に設けられた第２の電極及び第３の電極と、
   第３の部材に設けられた第４の電極とを有し、
   前記第１の電極と前記第２の電極とは、間隔を隔てて対向するように設けられ、
   前記第３の電極と前記第４の電極とは、間隔を隔てて対向するように設けられており、
   前記第２の部材は、前記第１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。
2. 前記第２の部材は回転錘であることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記第２の部材は前記第１の部材及び第３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請求項１又は２のいずれか１項に記載の発電装置。
4. 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の電極又は第２の電極に設けられた第１のエレクトレット材と、
   前記第３の電極と前記第４の電極との間に設けられ、前記第３の電極又は第４の電極に設けられた第２のエレクトレット材とを有す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。
5. 前記第１の部材と前記第２の部材との間又は前記第２の部材と前記第３の部材との間に設けられ、前記第１の部材、第２の部材又は第３の部材のいずれかの面と接触する複数の第４の部材を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 前記第１の部材と前記第２の部材との間又は前記第２の部材と前記第３の部材との間に設けられ、前記第１の部材、第２の部材又は第３の部材のいずれかに形成された溝部に接触する複数の第４の部材を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
7. 前記第４の部材は略球状をしていることを特徴とする請求項５又は６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 前記第４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５〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
9. 前記第４の部材は、超硬材料からなることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の発電装置。
10. 前記第１の部材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の部材と前記第３の部材とは前記軸により接続されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の発電装置。
11. 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１〜１０のいずれか１項に記載の発電装置。
12. 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１〜１０のいずれか１項に記載の発電装置。
13. 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形成されてい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。
14. 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１〜１０のいずれか１項に記載の発電装置。
15. 前記第１の電極と前記第２の電極との間の間隔は、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の発電装置。

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