JP2011101499A - 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可能な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１５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１４に設けられた第２の電極６とを有し、第１の部材１５は、第２の部材１４の内側に配置されており、第２の部材１４は可動である。
【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２０（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２０（ｂ）は図２０（ａ）の発電装置の２Ａ−２Ａ線に沿った概略断面図であり、図２０（ｃ）は図２０（ａ）の発電装置の２Ｂ−２Ｂ線に沿った概略断面図である。

図２０（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可能な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の電極とを有し、第１の部材は、第２の部材の内側に配置されており、第２の部材は可動であることを特徴とする。

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の電極とを有し、第２の部材は、外縁部に重りを有することを特徴とする。

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の電極とを有し、第２の部材の中心近傍における単位体積あたりの質量と比較して、第２の部材の外縁部の単位体積あたりの質量が大きいことを特徴とする。

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の電極とを有し、第２の部材を第１の部材に向かって上から投影した部分と第１の部材との重なり部分における重心から第１の部材の中心近傍までの距離よりも、第２の部材の重心から第２の部材における第１の部材の中心近傍に対向する部分までの距離のほうが長いことを特徴とする。

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）は概略上面図である。 （ａ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置の図１（ａ）及び（ｂ）のIIａ−IIａ線における概略断面図であり、（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る発電装置が略球状の部材を備えている場合の概略断面図である。 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第２の部材の重心位置を説明する図であり、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略上面図である。 （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。 （ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る発電装置を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略上面図である。 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図９（ａ）及び（ｂ）のＸ−Ｘ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。 本発明の第１の実施形態の第４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）及び（ｂ）は本発明の第２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）は概略上面図である。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る発電装置の図１３（ａ）及び（ｂ）のXIVａ−XIVａ線における概略断面図であり、（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る発電装置が略球状の部材を備えている場合の概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係る発電装置の第２の部材の重心位置を説明する図を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略上面図である。 （ａ）及び（ｂ）は本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置を示し、（ａ）は概略斜視図であり、（ｂ）は概略上面図である。 本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置の図１６（ａ）及び（ｂ）のXVII−XVII線における概略断面図である。 本発明の第２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２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）に示すように、第１の部材１５は、第１の基板１及び第２の基板２から構成されている。また、第２の部材１４は、第３の基板３及び第４の基板４から構成されている。第１の部材１５及び第２の部材１４の詳細については後述する。

図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の部材１５を上から見た形状は、略円形であり、第２の部材１４を上から見た形状は、略円形である第１の部材１５の半径よりも大きな半径を持った略円形形状の一部からなる略扇形である。

また、図１（ａ）に示すように、第１の部材１５及び第２の部材１４は、第１の部材１５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１４は、軸１０を中心として、第２の部材１４の面方向に、第１の部材１５に対して相対的に平面方向に回転可能な構造となっている。

第１の部材１５と第２の部材１４とを軸１０により接続する際に、第１の部材１５は第２の部材１４から一部をくり抜いた溝部に配置される。すなわち、第１の部材１５と第２の部材１４とを組み合わせたときに、その断面を見ると、図２（ａ）に示すように、第１の部材１５は第２の部材１４よりも内側に配置される。

ここで、第２の部材１４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。発電効率の点から考えると、第２の部材１４は回転錘であることが望ましい。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。第２の部材１４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。すなわち、第２の部材１４の重心の位置が回転軸からずれる距離が遠いほど、発電効率が増加する。第２の部材１４は上から見たときに円形又は扇形で重心が回転軸からずれている錘であってもよい。例えば、第２の部材１４の外縁部に重りを付加した構成であってもよい。

次に、第１の部材１５及び第２の部材１４の詳細を説明する。

図２（ａ）に示すように、第１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とを組み合わせた構造から構成されている。

また、第２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３の基板３と、例えばプリント基板である第４の基板４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４は、第３の基板３の面上で、且つ、第１の部材１５と対向する側に設置されている。さらに、第４の基板４は、第３の基板３における図１（ａ）及び（ｂ）の領域Ｂとして示す部分に設置されている。

第１の部材１５の一部である第２の基板２の、第２の部材１４に対向する面には、図１（ａ）及び（ｂ）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。

第２の部材１４の一部である第４の基板４の、第１の部材１５に対向する面には、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６が形成されている。また、第１の電極５と第２の電極６との間における第２の電極６側には、エレクトレット材７が形成されている。第２の電極６とその上に形成されているエレクトレット材７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の部材１５に形成された第１の電極５とちょうど重なるように第２の電極６とエレクトレット材７が形成されている。図１（ｂ）における符号６、７が第２の電極６とエレクトレット材７とが形成されている部分であり、実際には第１の部材１５に対向する面に形成されている。

なお、第２の部材１４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７の形成部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１５が第１の基板１及び第２の基板２から構成されている例を示したが、第１の部材１５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１４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。

また、第１の部材１５と第２の部材１４との間に、第１の部材１５又は第２の部材１４に接触する第３の部材を設置してもよい。例えば、第１の部材１５の外縁部で、且つ、第２の部材１４に対向する面上に第３の部材として突起を形成する。このとき、この突起の厚さは、第１の電極５、第４の基板４、第２の電極６及びエレクトレット材７の厚みを足した厚さよりも大きい方が好ましい。この第３の部材が配置されていると、電極とエレクトレット材との間に働くクーロン力によって第１の電極５とエレクトレット材７とが張り付いてしまうことを防止することができる。この構成は、特に電極とエレクトレット材との間の距離が５０μｍ以下程度と小さいときにより効果的である。

さらに、この第３の部材は回転可能な略球状から構成されることが望ましい。略球状の部材を第１の部材１５と第２の部材１４との間に設置する場合、図２（ｂ）に示すように、第２の部材１４は第３の基板３と第４の基板４とスペーサー８とから構成されており、スペーサー８には溝部が形成されている。また、この溝部に略球状の部材９が接触している。

なお、部材９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９が略球状であることにより、第２の部材１４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９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８に形成される溝部は、下側から見た場合に、第１の部材１５の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材９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９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１５を上から見た形状が円状であれば、スペーサー８に形成された溝部は、円弧状である。また、このようにスペーサー８の溝部に略球状の部材９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９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９が設置されたスペーサー８は第１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８に形成されている必要はなく、第１の部材１５のうち第２の部材１４と対向する面に形成されていればよい。

また、スペーサー８は第１の部材１５と第２の部材１４との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。

ここで、エレクトレット材７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７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７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７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もっとも近くなる。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１４にエレクトレット材７を配置したが、第１の部材１５にエレクトレット材７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のため、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５と厚さが２μｍ〜３μｍ程度であるエレクトレット材７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６との距離が５０μｍ以下程度であることが好ましい。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、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１４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１５を上側から見た形状は略円形であり、第２の部材１４を上側から見た形状は、略円形である第１の部材１５の半径よりも大きな半径を持った略円形の一部からなる略扇形である。第２の部材１４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に回転可能である。第２の部材１４は回転錘であることが好ましい。第２の部材１４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１４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１４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１５は固定されているため、第２の部材１４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１４の振動に呼応して、第２の電極６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１５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７との重なり面積に増減が生じるため、第１の電極５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１４の回転に呼応する第１の電極５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も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１４が略扇形であり、且つ、第１の部材１５よりも外側にまで第２の部材１４が存在していることにより、第２の部材１４の重心は軸１０よりも外縁部に近い位置となり、効率よく発電させることができるという効果がある。

ここで、第２の部材１４の重心について図４を参照しながら詳しく説明する。

図４（ａ）は、略扇形の第２の部材１４の頂点（第１の部材１５の中心近傍に対向する部分）と略円形の第１の部材１５の中心とを重ね合わせて、第２の部材１４を第１の部材１５に投影させた状態を示している。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のように、第２の部材１４を第１の部材１５に向かって上から投影した部分と第１の部材１５との重なり部分２０を示している。この重なり部分２０の重心は符号２１に位置している。一方、第２の部材１４の重心は符号２２に位置している。ここで、略扇形の第２の部材１４の頂点から重心２２までの距離は、略扇形の重なり部分２０の頂点（第１の部材１５の中心近傍）から重心２１までの距離よりも長くなる。従って、第２の部材１４の重心２２は軸１０よりも外縁部に近い位置となっている。このように、第２の部材１４の重心２２が第２の部材１４の外縁部に近づけば近づくほど、第２の部材１４が回転したときの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。そのため、発電効率を向上させることができる。

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５〜図７を参照しながら説明する。

まず、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の部材１５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。

同様に、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、第２の部材１４を形成する。第４の基板４に第２の電極６を形成し、その上にエレクトレット材７を形成し、第３の基板３に設置する。ここで、第３の基板３は、略円形の第１の部材１５よりも半径が長い略円形から、第１の部材１５の面積と同じ又はより大きい面積分をくり抜いた溝部を有する構造であり、その略円形の一定の角度分を切り出した略扇形をしている。第４の基板４は、図６（ａ）の領域Ｂとして表す部分の形状をしている。

次に、図７（ａ）及び（ｂ）に示すように、軸１０と軸受け１１とを用いて、第１の部材１５と第２の部材１４とを接続する。このとき、前述した第１の部材１５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１４の第２の電極６及びエレクトレット材７が形成されている面とを対向させる。また、第２の部材１４は、第１の部材１５に対して相対的に平面方向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、第２の部材１４の構成が異なり、それ以外の構成は同様である。

具体的には、図８に示すように、第２の部材１４の構成を第３の基板３、第４の基板４及び重り１６とからなる構成にする。第２の部材１４の形状は、第１の実施形態に係る発電装置と同様であるが、第１の実施形態における第３の基板３の外縁部に相当する部分よりも質量が大きい材料からなる重り１６が第３の基板３の外縁部に付加されている。別の言い方をすると、第３の基板３（第２の部材１４）の回転軸近傍の単位体積あたりの質量と比較して、第３の基板３（第２の部材１４）の外縁部近傍の単位体積あたりの質量が大きい構造となっている。

第１の実施形態の第１の変形例によると、第２の部材１４の重心が外縁部の方向に傾き、微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する効果がある。

（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９及び図１０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の実施形態の第１の変形例に係る発電装置と比較して、重り１６の位置が異なり、それ以外の構成は、同様である。

具体的には、図９（ａ）及び（ｂ）並びに図１０に示すように、重り１６は、第３の基板３の平面方向に延びるような位置に設けられている。このような形態であったとしても、第１の実施形態の第１の変形例に係る発電装置と同様な効果を得ることが可能である。

（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１１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、第１の電極５、第２の電極６及びエレクトレット材７の配置が異なり、それ以外の構成は、同様である。

具体的には、図１１に示すように、第１の電極５、第２の電極６及びエレクトレット材７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１５と第２の部材１４との関係において、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６及びブロック形状のエレクトレット材７がそれぞれ、第１の部材１５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６とその上に形成されたエレクトレット材７とは、第１の電極５と重なるように対向して配置される。

図１１に示す領域Ｂの範囲に第４の基板４とその上に形成された第２の電極６及びエレクトレット材７が配置されている。実際には、第２の部材１４のうち、第１の部材１５と対向する面上に第４の基板４は配置されている。

（第１の実施形態の第４の変形例）
本発明の第１の実施形態の第４の変形例に係る発電装置について図１２を参照しながら説明する。

第１の実施形態の第４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６及びエレクトレット材７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１２に示すように、第１の電極５、第２の電極６及びエレクトレット材７の形状をそれぞれ渦巻き形状とする。図１２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６及びエレクトレット材７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。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る発電装置について、図１３及び図１４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１３（ａ）及び（ｂ）並びに図１４（ａ）に示すように、第１の部材１５は、第１の基板１及び第２の基板２から構成されている。また、第２の部材１４は、第３の基板３、第４の基板４及び重り１６から構成されている。第１の部材１５及び第２の部材１４の詳細については後述する。

図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、第１の部材１５を上から見た形状は略円形であり、第２の部材１４を上から見た形状は、略円形の第１の部材１５からある角度分を切り取った略扇形である。

また、図１３（ａ）に示すように、第１の部材１５及び第２の部材１４は、第１の部材１５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１４は、軸１０を中心として、第２の部材１４の面方向に、第１の部材１５に対して相対的に平面方向に回転可能な構造となっている。

ここで、第２の部材１４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。

次に、第１の部材１５及び第２の部材１４の詳細について説明する。

図１４（ａ）に示すように、第１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とを組み合わせた構造から構成されている。

また、第２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３の基板３と、例えばプリント基板である第４の基板４と、重り１６とを組み合わせた構造から構成されている。重り１６は、第３の基板３よりも質量が大きい材料から形成されており、第３の基板３の外縁部に付加されている。ここで、第４の基板４は、第３の基板３の面上で、且つ、第１の部材１５と対向する側に設置されている。さらに、第４の基板４は略扇形をした第３の基板３における図１３（ａ）及び（ｂ）の領域Ｂとして示す部分に設置されている。

第１の部材１５の一部である第２の基板２の、第２の部材１４に対向する面には、図１３（ａ）及び（ｂ）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。

第２の部材１４の一部である第４の基板４の、第１の部材１５に対向する面には、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６が形成されている。第１の電極５と第２の電極６との間における第２の電極６側には、エレクトレット材７が形成されている。第２の電極６とその上に形成されているエレクトレット材７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の部材１５に形成された第１の電極５とちょうど重なるように第２の電極６とエレクトレット材７が形成されている。図１３（ｂ）における符号６が第２の電極６とエレクトレット材７とが形成されている部分であり、実際には第１の部材１５に対向する面に形成されている。

なお、第２の部材１４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７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１５が第１の基板１と第２の基板２から構成されている例を示したが、第１の部材１５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１４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。

また、第１の部材１５と第２の部材１４との間に、第１の部材１５又は第２の部材１４に接触する第３の部材を設置してもよい。例えば、第１の部材１５の外縁部で、且つ、第２の部材１４に対向する面上に第３の部材として突起を形成する。このとき、この突起の厚さは、第１の電極５、第４の基板４、第２の電極６及びエレクトレット材７の厚みを足した厚さよりも大きい方が好ましい。この第３の部材が配置されていると、電極とエレクトレット材との間に働くクーロン力によって第１の電極５とエレクトレット材７とが張り付いてしまうことを防止することができる。この構成は、特に、電極とエレクトレット材との間の距離が５０μｍ以下程度と小さいときにより効果的である。

さらに、この第３の部材は回転可能な略球状から構成されることが望ましい。略球状の部材を第１の部材１５と第２の部材１４との間に設置する場合、図１４（ｂ）に示すように、第２の部材１４は第３の基板３、第４の基板４及びスペーサー８から構成されており、スペーサー８には溝部が形成されている。また、この溝部に略球状の部材９が接触している。

なお、部材９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９が略球状であることにより、第２の部材１４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９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８に形成される溝部は、下側から見た場合に、第１の部材１５の外縁に沿ってある範囲分の長さを有し、部材９が略球状の部材である場合にはその範囲の間に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９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１５を上から見た形状が円状であれば、スペーサー８に形成された溝部は円弧状である。また、このようにスペーサー８の溝部に略球状の部材９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９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９が設置されたスペーサー８は第１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８に形成されている必要はなく、第１の部材１５のうち第２の部材１４と対向する面に形成されていればよい。

また、スペーサー８は第１の部材１５と第２の部材１４との間にあればよく、必ずしも外縁部でなくともよい。

ここで、エレクトレット材７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７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７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７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もっとも近くなる。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１４にエレクトレット材７を配置したが、第１の部材１５にエレクトレット材７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ので、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と厚さが２μｍ〜３μｍ程度であるエレクトレット材７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６との距離が５０μｍ以下程度であることが好ましい。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。

第２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１４の動きと、発電のメカニズムとは第１の実施形態に係る発電装置と同様であるので、説明を省略する。

第２の実施形態に係る発電装置によると、第２の部材１４の回転に呼応する第１の電極５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も発電に利用することができる効果がある。

また、第２の実施形態に係る発電装置によると、第２の部材１４が略扇形であり、且つ、外縁部に重りがあることにより、第２の部材１４の重心は軸１０よりも外縁部に近い位置となり、効率よく発電させることができる効果がある。

次に、第２の部材１４の重心について図１５を参照しながら詳しく説明する。

図１５（ａ）は、略扇形の第２の部材１４の頂点と略円形の第１の部材１５の中心とを重ね合わせて、第２の部材１４を第１の部材１５に投影させた状態を示している。また、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）のように、第２の部材１４を第１の部材１５に向かって上から投影した部分と第１の部材１５との重なり部分２０を示している。ここで、この重なり部分２０の重心は符号２１に位置している。一方、第２の部材１４の重心は符号２３に位置している。

ここで、略扇形の第２の部材１４の頂点から重心２３までの距離は、略扇形の重なり部分２０の頂点から重心２１までの距離よりも長くなる。従って、第２の部材１４の重心２３は軸１０よりも外縁部に近い位置となっている。このように、第２の部材１４の重心２３が第２の部材１４の外縁部に近づけば近づくほど、第２の部材１４が回転したときの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。そのため、発電効率を向上させることができる。

（第２の実施形態の第１の変形例）
本発明の第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置について図１６及び図１７を参照しながら説明する。

第２の実施形態の第１の変形例に係る発電装置は、第２の実施形態に係る発電装置と比較して、第２の部材１４の構成が異なり、それ以外の構成は同様である。

具体的には、図１６（ａ）及び（ｂ）並びに図１７に示すように、重り１６が第３の基板３の面上で、且つ、第１の部材１５と対向する面と反対側に設置されている。

第２の実施形態の第１の変形例によると、第２の部材１４の重心が外縁部の方向に傾き、微小な振動でも振れやすくなり、発電効率が向上する効果がある。

（第２の実施形態の第２の変形例）
本発明の第２の実施形態の第２の変形例に係る発電装置について図１８を参照しながら説明する。

第２の実施形態の第２の変形例に係る発電装置は、第１の実施形態の第３の変形例に係る発電装置と比較して、第２の部材１４の外縁部の位置が異なり、それ以外の構成は同様である。

具体的には、第１の実施形態の第３の変形例に係る発電装置における第２の部材１４の外縁部は、第１の部材１５の外縁部よりも、上側から見たときに外側に位置している。一方、第２の実施形態の第２の変形例においては、図１８に示すように、第２の部材１４の外縁部は、第１の部材１５の外縁部と同じ位置又は内側に位置している。

第２の実施形態の変形例においても、第１の実施形態の第３の変形例に係る発電装置と同様の効果を得ることが可能である。

（第２の実施形態の第３の変形例）
第２の実施形態の第３の変形例に係る発電装置は、第１の実施形態の第４の変形例に係る発電装置と比較して同様である。第２の実施形態の第３の変形例においても、第１の実施形態の第４の変形例に係る発電装置と同様の効果を得ることが可能である。

具体的には、図１９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。

なお、本発明は上記の実施形態及び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、第２の実施形態及びそれらの変形例においては、エレクトレット材７が第１の電極５と第２の電極６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６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、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３の基板
４ 第４の基板
５ 第１の電極
６ 第２の電極
７ エレクトレット材
８ スペーサー
９ 部材
１０ 軸
１１ 軸受け
１２ 第１の回転方向
１３ 第２の回転方向
１４ 第２の部材
１５ 第１の部材
２０ 重なり部分
２１ （重なり部分の）重心
２２ （第２の部材の）重心
２３ （第２の部材の）重心

Claims (17)

1. 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の電極とを有し、
   前記第１の部材は、前記第２の部材の内側に配置されており、
   前記第２の部材は可動であ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エレクトレット材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の部材との間に設けられ、前記第１の部材又は第２の部材のいずれかの面上に第３の部材が複数接触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の部材のいずれかに形成された溝部に第３の部材が複数接触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３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３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３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個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. 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の電極とを有し、
    前記第２の部材は、外縁部に重りを有することを特徴とする発電装置。
16. 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の電極とを有し、
    前記第２の部材の中心近傍における単位体積あたりの質量と比較して、前記第２の部材の外縁部の単位体積あたりの質量が大きいことを特徴とする発電装置。
17. 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の電極とを有し、
    前記第２の部材を前記第１の部材に向かって上から投影した部分と前記第１の部材との重なり部分における重心から前記第１の部材の中心近傍までの距離よりも、前記第２の部材の重心から前記第２の部材における前記第１の部材の中心近傍に対向する部分までの距離のほうが長いことを特徴とする発電装置。

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