JP2016059235A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置の姿勢がどのように変化しても、高効率で安定した発電を継続できる発電装置を提供する。【解決手段】所定形状の金属層を表面に有する第１の電極部材と所定形状の帯電層を表面に有する第２の電極部材とを有しており、金属層と帯電層とは所定の距離で離間して、双方が対向するように２つの電極部材は配置されている。第２の電極部材又は帯電層は、第１の電極部材と第２の電極部材とが相対移動する方向と直交する方向に揚力を発生するようにその断面が翼形状である。双方の電極部材の間の距離が適正に保たれ、発電量が増加して優れた発電効率を備えた発電装置を提供できる。【選択図】図３

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置に関し、特に誘電性を有する絶縁体を用いた発電装置に関する。

従来から、携帯型電子機器等の電源は小型軽量であることが求められ、小型の二次電池等が用いられているが、近年、小型電源として静電誘導を利用した発電装置が提案されている。

静電誘導を利用した発電装置は、エレクトレットを用いた例が広く知られている。エレクトレットとは、強い電場により誘電性を有する絶縁体が電気分極して帯電が保たれるようにしてなった物質のことである。強い磁場により強磁性体が磁化してなる磁石（マグネット）に対して、電石とも呼ばれる場合がある。

このエレクトレットを用いた発電装置は、誘電性を有する絶縁体で形成された帯電層に電荷を保持させておき（エレクトレット化）、その帯電層に導電性の電極（例えば、金属層）を対向配置しておく。そして、発電装置に掛かる外力などを利用して双方を相対移動させる（無論、一方を移動させてもよい。）。

帯電層と金属層との相対移動に応じて帯電層と金属層との重なり面積が変化する。帯電層と金属層とが重なり合うと、金属層には、帯電層に保持された電荷とは反対極性の電荷が静電誘導により生じる。金属層に発生したこの電荷は、分極電荷や誘導電荷などと呼ばれるが、以下単に電荷と称することにする。

エレクトレットを用いた発電装置は、帯電層と金属層との重なり面積の変化が金属層に発生する電荷の変化として現れ、その電荷の変化を電気エネルギとして取り出すのである。

このような発電装置は、磁石を用いた電磁誘導による発電装置に比して、優れた発電効率を有しながら小型、軽量化できるというメリットがある。そして、周囲に磁界の影響を及ぼさないから、金属部品を用いる機器の発電装置として好しいという側面もある。

このように、省スペースで、且つ、優れた発電効率を有するエレクトレットを用いた発電装置は多くの提案を見るものである。そして、近年の携帯型電子機器の高機能化に伴い、組み込まれる発電装置も、より発電効率を向上させる要求が出てきた。

そのような要求に対しては、帯電層と金属層との重なり面積の変化量を大きくすること、帯電層と金属層との距離（ギャップ）、相対移動速度などを適する値にすることなどが重要であり、さまざまな提案がなされている。

例えば、１つは帯電層の面積や、帯電層と金属層との対向面積を増加させるという提案がある。また、帯電層と金属層との対を複数設け、一定の間隔で配置させることで、帯電層と金属層とが対向する機会を多くするという提案もある。

しかしながら、対向面積の大きさや数を増やすという考え方は、発電装置としてサイズに制約があるため、おのずと上限が決まってしまう。特に発電装置を携帯型電子機器等の電源に用いることに鑑みれば、より小型であることが好ましいため、そのサイズの大型化
は好ましくない。

その解決策として、発電装置に掛かる外力を有効に用いる提案もなされた。すなわち、発電装置にバネ等の弾性体を設け、その伸縮による運動を利用し、わずかな外力であっても相対移動が発生することができると共に、外力が途切れてもある一定時間であれば相対移動を継続するようにした技術である。

そのような技術の一例として、電極となる金属層を有する回動体と、その金属層に対向配置された帯電層を有する基体とを備え、回動体は渦巻きバネ等の弾性体を介して支持され、基体に対して往復周期回動することで、金属層と帯電層の間で電荷の移動が行われて発電する発電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この特許文献１の発電装置は、回動体が回動するので、基体に対する移動距離が大きく、水平移動する場合と比べて発電量が大きくなる特徴がある。また、回動体が渦巻きバネ等の弾性体によって支持されることで、わずかな外力でも回動体を共振させ、金属層と帯電層の重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増えて発電効率が向上することが示されている。また、回動体を軸支する回動軸は、ばねを備えた耐振軸受によって支持することで、回動軸に作用する衝撃力を吸収して、回動軸の破損を防止できることも示されている。

特開２０１３−０５９１４９号公報（第６頁、図１）

静電誘導を利用した発電装置は、小型化しやすいために、腕時計や携帯型電子機器の電源として有望であるが、腕時計や携帯型電子機は、使用者が携帯するために、どのような姿勢に置かれても必要とされる発電ができなければならない。例えば、腕時計や腕に装着する小型情報機器等は、使用者の腕の位置や動きによって、様々な姿勢に置かれるからである。

しかしながら、特許文献１に示した従来技術は、前述したように、耐振軸受によって外部からの衝撃力を吸収して回動軸の破損を防ぐ構成を備えてはいるが、発電装置を搭載した腕時計や携帯型電子機器の姿勢が変化した場合、すなわち、発電装置が正常位から横に傾いたり、逆さまになったりした場合、回動軸と軸受けとのあがき（隙間）によって、回動体（金属層）と帯電層とのギャップが変化し、その結果、発電量が大きく変動してしまうという問題がある。

この回動軸と軸受けとのあがきは、回動体が自由に回転するために必要なものである。そして、回動軸等の加工ばらつきによって、あがきの量はばらつきが生じる。また、発電装置には落下などの不測の衝撃が加わる場合があるが、そのような事態になっても、回動体（金属層）と帯電層とが当接しないように、このあがきの量は安全を見越して大きくしている。

図１１のグラフは、発電装置の金属層と帯電層とのギャップが変化したときの発電量の推移の一例を示している。このグラフは、知られているエレクトレットによる発電の理論式（以下、数式１）を用い、各パラメータに想定値を代入して得たものである。このグラフで明らかなように、発電量Ｐは、電極間のギャップｇ（金属層と帯電層とのギャップ）に反比例する。

なお、上記数式１における各パラメータは以下の通りである。
σは帯電層の表面電荷密度、ｄは帯電層の厚さ、εは帯電層の誘電率、ｇは電極間ギャップ、Ａは電極面積、ｆは振動周波数、ｎは１振動あたりの極数、ε０は真空の誘電率である。

このグラフから、例えば、ギャップｇが２０μｍのときの発電量は約１８Ｗであるが、ギャップｇが４０μｍに広がると発電量は約１０Ｗに低下することが理解できる。

このように、エレクトレットによる発電装置では、電極間ギャップの変動が発電量に大きく影響するので、そのギャップの変動を低減して適正なギャップを維持することが極めて重要である。

この金属層と帯電層とのギャップの変動を解消するために、金属層が形成される電極部材、又は帯電層が形成される電極部材のどちらか一方にバネ材のような付勢手段を押し当て、この付勢手段の押し力によって、発電装置の姿勢が変化してもギャップの変動を低減する手法が考えられる。

しかし、そのような付勢手段を押し当てる構成では、付勢手段の押し力が金属層と帯電層との相対移動（回転）を妨げ、発電効率がかえって低下してしまう。また、付勢手段としてバネ材等を追加すれば、部品点数が増えて小型化に支障が生じ、バネ材の取り付けや調整に余計な工程が追加されて好ましくない。

本発明の目的は上記課題を解決し、発電装置の姿勢がどのように変化しても、高効率で安定した発電を継続できる発電装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の発電装置は下記記載の構成を採用する。

本発明の発電装置は、所定形状の金属層を表面に有する第１の電極部材と、所定形状の帯電層を表面に有する第２の電極部材と、金属層と帯電層とが所定の距離で離間して対向するように第１の電極部材と第２の電極部材とを配置し、第１の電極部材と第２の電極部材とが相対移動し、金属層と帯電層との平面的な重なり面積の変化に伴う金属層に生じる電荷の変化を電気エネルギとして取り出す発電装置において、第２の電極部材又は帯電層は、相対移動時に、相対移動方向に直交する方向に揚力を発生するようにその断面が翼形状であることを特徴とする。

これにより、帯電層又はこの帯電層を有する第２の電極部材は、その断面が翼形状であるので、相対移動することによって揚力が発生し、その揚力によって第１の電極部材と第２の電極部材とのギャップの変動を減らして適正なギャップを維持することができる。この結果、発電装置の姿勢がどのように変化しても、安定した発電を効率よく継続できる発
電装置を提供できる。
また、第２の電極部材自体は例えば平板状とし、第２の電極部材の表面に形成する帯電層を翼形状としてもよく、そのようにしても揚力を発生させることができる。

第２の電極部材は、相対移動方向に対して所定の角度で傾斜することで翼形状を構成するようにしてもよい。

これにより、第２の電極部材は平板状でよく、第２の電極部材の厚みや帯電層の膜厚を変える加工が不要であり、第２の電極部材の加工工程を簡略化できる利点がある。

また、第１の電極部材と第２の電極部材とは回転可能に軸支されており、金属層と帯電層とは、回転中心から放射状に形成されてもよい。

これにより、第１の電極部材と第２の電極部材とは回転によって相対移動することで、狭いスペースであっても金属層と帯電層との重なり面積の変化量が大きくなり、スペース効率と発電効率に優れた発電装置を提供できる。

本発明の発電装置によれば、帯電体を有する第２の電極部材又は帯電層は、その断面が翼形状であるので、相対移動することによって揚力が発生し、この揚力によって第１の電極部材と第２の電極部材とのギャップを適正に、且つ、安定に保つことができる。

この結果、発電装置の姿勢がどのように変化しても、安定した発電を効率よく継続できる発電装置を提供できる。

また、第１の電極部材と第２の電極部材とのギャップを適正にするためのバネ等の部品が不要であり、部品点数が少なく小型化が容易であり、製造工程も簡素化できる。

本発明の第１の実施形態に係わる発電装置の分解斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係わる発電装置の正面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる発電装置の断面図と第２の電極部材の拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる発電装置の回路図である。 本発明の第１の実施形態に係わる発電装置の発電原理を説明する説明図である。 本発明の第１の実施形態に係わる変形例１の第２の電極部材の拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる変形例２の第２の電極部材の拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係わる変形例３の第２の電極部材の拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態に係わる第２の電極部材の拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態に係わる第２の電極部材の拡大断面図である。 エレクトレットを用いた発電装置のギャップと発電量の関係の一例を示すグラフである。

以下図面に基づいて本発明の発電装置の具体的な実施形態を詳述する。
なお、説明にあっては発明とは関係のない構成は省略している。例えば、電気的な配線や各部材を固定する係止機構、また、発電装置に掛る外力を第１の電極部材と第２の電極
部材とが相対移動するように変換する機構などである。また、同一の構成については同一の番号を付与するものとする。

［各実施形態の特徴］
第１の実施形態の特徴は、第１及び第２の電極部材が一方向に回転可能に軸支されており、第２の電極部材又は帯電層は、相対移動時に相対移動方向に直交する方向に揚力を発生するようにその断面が翼形状であることである。

第２の実施形態の特徴は、第１及び第２の電極部材が揺動回転可能に軸支されており、第２の電極部材の相対移動方向が、所謂時計回り及び反時計回りとなる例であり、どちらの方向に回転しても揚力が発生するような翼形状を有することである。

第３の実施形態の特徴は、第２の電極部材が相対移動方向に対して所定の角度で傾斜することで翼形状を形成していることである。

［第１の実施形態の発電装置の構成説明：図１、図２］
初めに第１の実施形態の発電装置の構成を図１と図２とを用いて説明する。
図１は第１の実施形態の分解斜視図であり、図２は正面図である。図１、図２において、符号１は第１の実施形態の発電装置である。発電装置１は、円板状の第１の電極部材１０と、円板状の第２の電極部材２０、及び、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０の回転中心を通り軸支する軸２などによって構成される。

軸２の一方の一端２ａは、第１の電極部材１０の回転中心に形成される貫通孔１２に嵌め込まれている。また、軸２の他方の一端２ｂは、第２の電極部材２０の回転中心に形成される貫通孔２３に嵌め込まれる。また、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０との間には、軸２に填め込まれて固定されるリング状の上押さえ３が配置されている。また、第２の電極部材２０を挟んだ図面上の下部には、軸２の一端２ｂに填め込まれて固定されるリング状の下押さえ４が配置されている。

この構成によって、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０は、軸２によって軸支され、双方が独立して回転可能となる。

第２の電極部材２０は、上押さえ３と下押さえ４とによって上下方向が規制されている。特に第１の電極部材１０までの位置を規定する上押さえ３の位置は、第２の電極部材２０が第１の電極部材１０に対して適正な距離で配置されるような位置となっている。

第２の電極部材２０が上押さえ３と下押さえ４との間で自由になり、軸２に対して回転可能となるために、上押さえ３と下押さえ４は、第２の電極部材２０に対して僅かな隙間を設けている。この隙間があがきである。このあがきの詳細は後述する。

図２は、このように第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とを軸２により嵌合させたときに第１の電極部材１０の側から見た平面図となっている。なお、図１に示す切断線Ａ−Ａ´、図２に示す切断線Ｂ−Ｂ´、Ｃ−Ｃ´については後述する。

第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とは絶縁材でなり、例えば、シリコン、セラミックス等で構成される。第１の電極部材１０が第２の電極部材２０と対向する面には、アルミニウムなどによってなる複数の導電性の金属層１１が、回転中心から放射状に形成されている。この金属層１１は発生する電荷を取り出す電極として機能する。

この金属層１１は、第１の電極部材１０の表面に、例えば、知られているエッチング加
工技術などによって形成することができる。また、第１の電極部材１０は、金属層１１を図示するために透視図として示している。

第２の電極部材２０が第１の電極部材１０と対向する面には、複数の帯電層２１が、回転中心から放射状に形成されている。すなわち、帯電層２１は、後述する交流発電を行うために、周回状に所定の間隔を空けて形成されている。

第１の電極部材１０に設ける金属層１１と第２の電極部材２０に設ける帯電層２１との数は、一例として８個としているが、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とをどのような速度で回転させるか（相対移動する速度）により決まるものであって、発電装置１の仕様により決定される。

帯電層２１は、絶縁体で構成する。この絶縁体は帯電しやすい材料を用い、例えばマイナスに帯電する材料としてはシリコン酸化物（ＳｉＯ₂）や、フッ素樹脂材料などを用いるとよい。具体的には一例として、マイナスに帯電する材料として旭硝子製のフッ素樹脂材料であるＣＹＴＯＰ（登録商標）などがある。

帯電層２１にフッ素樹脂材料を用いる場合、液状のフッ素樹脂材料を第２の電極部材２０の表面に、ディップ方式やポッティング方式などによって塗布した後、型押しによって所定の形状や膜厚に形成することができる。

また帯電層２１に電荷を持たせる方法として、コロナ放電を用いることができる。このコロナ放電は、図示しないが、帯電層２１に対して数ｍｍ離した距離に固定したコロナ放電用ニードルに、例えば、−２０００Ｖから−８０００Ｖ程度の電圧を印加し、帯電層２１に対してマイナスの電荷を打ち込むことで帯電させる。なお、以下の実施形態では、帯電層はマイナスに帯電されているものとして説明を行う。

また、第２の電極部材２０に形成されている帯電層２１は、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とを相対運動させたとき、相対移動方向に直交する方向に揚力を発生するようにその断面が翼形状となっている。

図１に示す例では、帯電層２１の断面が翼形状となるには、帯電層２１の膜厚を相対移動方向に平行する方向で変えることでなしている。つまり、帯電層２１の表面を相対移動方向に対して傾斜させている。

帯電層２１の断面を翼形状とする目的は、前述の通り相対移動方向に直交する方向に揚力を発生させるためであるが、第２の電極部材２０の翼形状の詳細と揚力の作用については後述する。

また、第２の電極部材２０の表面で帯電層２１が形成されていない複数の領域は、第２の電極部材２０を軽量化し、また、揚力を効率よく発生させるために、空洞域２４が形成されている。なお、空洞域２４は隣接する帯電層２１の間に貫通孔のように、例えば円形のように開口させてもよく、もちろん設けなくてもよい。

第２の電極部材２０の外周部には、錘２２が配置されている。この錘２２は、銅や鉛などの重い金属材料を用いて構成するとよい。第２の電極部材２０をシリコンなどで形成する場合は、錘２２と嵌合する溝などを設けておき、そこに錘２２を嵌め込むなどすればよく、接着剤等で固定すればなおよい。

この錘２２によって第２の電極部材２０全体の重量バランスが偏るため、外部からの振
動（外力）を受けることで、第２の電極部材２０は、矢印Ｍの方向に軸２を中心として回転し、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０が相対移動する。この矢印Ｍの方向が相対移動方向である。なお、矢印Ｍは図１においては、時計回り（右回転）である。

また、錘２２は第２の電極部材２０の外周部の外側に配置された構成となっているが、図示しないが第２の電極部材２０の外周部の内側に取り付けてもよい。例えば、第２の電極部材２０の第１の電極部材１０と対向する面とは反対側の面に設ける例、第２の電極部材２０の内部に組み込む例などがある。この場合、錘２２の分だけ第２の電極部材２０が占める平面積を大きくできる。

このように錘２２をどのように設けるか、どのような形状の錘２２を設けるなどは、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とをどのような速度で回転させるか（相対移動する速度）により決まるものであって、発電装置１の仕様により決定される。

以上の構成によって、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とは、軸２によって回転可能に軸支され、金属層１１と帯電層２１とは、所定の距離で離間して対向するように配置される。そして、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とが、矢印Ｍで示す相対移動方向に回転運動することで、金属層１１と帯電層２１との平面的な重なり面積の変化に伴う金属層１１に生じる電荷の変化を電気エネルギとして取り出すことができる。

以上の説明では、第２の電極部材２０に錘２２を設けて外力により回転させることで第１の電極部材１０との相対移動をする構成を説明した。もちろん、錘を第１の電極部材１０に設けて回転させてもよいが、後述する回路や配線により第１の電極部材１０の金属層１１から発生した電荷を取り出す必要があるため、そのような電気的な信号の取出しの必要がない第２の電極部材２０を回転させる方が都合がよいのである。

［第１の実施形態の翼形状の説明：図３］
次に、図３を用いて第２の電極部材２０の翼形状の構成と作用を説明する。
ここで、図３（ａ）は、図２に示す回転中心を通る切断線Ｂ−Ｂ´で切断された発電装置１の断面図であり、図３（ｂ）は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０の拡大断面図である。

図３において、発電装置１は、前述したように、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０、及び軸２などによって構成される。そして、第１の電極部材１０が第２の電極部材２０と対向する表面には金属層１１が形成され、第２の電極部材２０が第１の電極部材１０と対向する表面には帯電層２１が形成されている。

図３に示すように、軸２によって軸支されている第２の電極部材２０は、上押さえ３と下押さえ４とによって上下が規制されており、第２の電極部材２０が自由に回転可能となるために、上押さえ３と下押さえ４とは、第２の電極部材２０に対してあがきＤを設けて固定されている。すなわち、図示するように、上押さえ３と下押さえ４との間隔をＳとして、第２の電極部材２０の厚みをｈとすると、あがきＤは、Ｄ＝Ｓ−ｈとなる。

第２の電極部材２０が規制される上押さえ３と下押さえ４との間隔Ｓは、加工ばらつき等によって変動するので、あがきＤがゼロ以下とならないように、あがきＤに対してばらつき幅に応じたある程度のマージンを持たせる必要がある。

また、発電装置１が落下するなどして不測の衝撃が加わるとき、上押さえ３と下押さえ４との間隔Ｓが適正でないと、例えば、第２の電極部材２０がその衝撃で他の部材（例えば、第１の電極部材１０）と衝突し、破壊を生じてしまう。

したがって、上押さえ３及び下押さえ４は、あがきＤがゼロ以下にならない位置や、第２の電極部材２０が他の部材と衝突しない位置となるように、予め設計された適正な位置で設けている。

上押さえ３と下押さえ４との間隔Ｓが存在すると、第２の電極部材２０は、発電装置１の姿勢の変化によって軸２を上下するから、例えば、第２の電極部材２０が下押さえ４に当接することもあれば、上押さえ３に当接することもある。

図３（ａ）で示す例では、第２の電極部材２０が上押さえ３に当接しており、あがきＤは、図示するように下押さえ４側にできる。この場合は、第２の電極部材２０が第１の電極部材１０に近くなるので、金属層１１と帯電層２１とのギャップｇは小さくなる。

一方、図示しないが、第２の電極部材２０が下押さえ４に当接して、あがきＤが上押さえ３側にできる場合は、ギャップｇは大きくなる。

このように、第１の電極部材１０の金属層１１と第２の電極部材２０の帯電層２１との間のギャップｇは、発電装置１の姿勢の変化により変動するのである。そして、金属層１１と帯電層２１との間のギャップｇが変化すると、前述の図１１で示したように、発電装置１の発電量Ｐもギャップｇに反比例して変動する。

そうすると、金属層１１と帯電層２１との重なり面積の変化量と相対移動速度とが一定であっても、発電装置１の姿勢差によって発電量が大きく変動するのである。

しかしながら、本発明は、このような姿勢差による発電量の変動を、第２の電極部材２０の断面を翼形状とすることで解消している。すなわち、矢印Ｍで示す方向に相対移動したときに、その相対移動方向に直交する方向に揚力を発生させてギャップｇの変動を減少させるからである。

図３（ｂ）は、第２の電極部材２０の翼形状とその作用を示しており、第２の電極部材２０の断面は、矢印Ｍで示す相対移動方向に対して、一部が傾斜しており、所謂、翼形状となっている。すなわち、第２の電極部材２０は、矢印Ｍで示す相対移動方向に回転することで周囲の空気とぶつかる側（図面上の左側）の厚みｈ１が厚く、その反対方向で空気が通り過ぎる側（図面上の右側）の厚みｈ２が薄く形成されている。

図３（ｂ）に示す符号Ｋは空気の流れを示している。このような形状により、翼形状の第２の電極部材２０の下側を通る空気の流れに対して、第２の電極部材２０の上側（帯電層２１を設けている側）を通る空気の流れの方がその速度が速くなり、これによって、第２の電極部材２０に対して矢印Ｍで示す相対移動方向に直交する上向き方向に揚力Ｆが発生する。

この第２の電極部材２０の断面の翼形状は、本実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、第２の電極部材２０の表面に形成する帯電層２１の膜厚を変えることで実現している。すなわち、第２の電極部材２０が空気にぶつかる側（図面上の左側）の帯電層２１の膜厚を厚くし、その反対方向（図面上の右側）の帯電層２１の膜厚を薄く形成することで帯電層２１の表面を傾斜させている。

なお、図３（ｂ）に示すような帯電層２１の形状に形成するには知られている手法を用いることができる。一例をあげると、帯電材料を第２の電極部材２０の表面に塗布するなどした後、所定の形状を有する型を押し当てるなどすればよい。

このように、帯電層２１の膜厚を変えることで第２の電極部材２０の断面を翼形状にしているので、シリコンやセラミックス等でなる第２の電極部材２０自体は、平板状でよく、第２の電極部材２０の形成加工は簡単になる。

この揚力Ｆによって、第２の電極部材２０は、第１の電極部材１０に近づこうとするので、図３（ａ）で示すように、第２の電極部材２０は第１の電極部材１０に近い上押さえ３に当接して、あがきＤが下押さえ４側にできるようになるのである。この結果、ギャップｇは上押さえ３に規制されて狭められ適正な距離で安定するので、発電量の変動が減り、大きな発電量を安定して出力することができる。

例えば、揚力Ｆによって第２の電極部材２０が上押さえ３に当接したときに、金属層１１と帯電層２１のギャップｇが適正な値（例えば約２０μｍ）となるように、上押さえ３を位置決めすれば、図１１のグラフで示したように、大きな発電量を得ることができる。

揚力Ｆは、第２の電極部材２０が相対移動時に発生する力であるので、発電装置１が相対移動中であれば、姿勢差によって第２の電極部材２０のあがきＤがどのような状態であっても、ギャップｇは適正な状態が維持される。例えば、発電装置１の姿勢によって、第２の電極部材２０が下押さえ４に当接してギャップｇが広がるような場合であっても、揚力Ｆの働きで第２の電極部材２０は上押さえ３側に移動し、ギャップｇは狭められて適正なギャップｇが維持されるのである。

もちろん、上押さえ３を設ける位置は、発電装置１に加わる万有引力や落下などの衝撃がどの方向から印加しても、第２の電極部材２０が第１の電極部材１０と当接してしまうことはないような位置に設けている。

下押さえ４を設ける適正も同様である。発電装置１に外力が印加されず、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とが相対移動していないときは、第２の電極部材２０は揚力Ｆを発生していないから上押さえ３の方向に力が働いていないフリーな状態になっている。そのような状態のとき、第２の電極部材２０が下押さえ４に当接している場合がある。

そのとき、下押さえ４の位置は、発電装置１に加わる万有引力や落下などの衝撃がどの方向から印加しても、第２の電極部材２０がフレームやシャシーといった図示しない他の部材と当接してしまうことはないような位置に設けている。

つまり、発電装置１は、上押さえ３と下押さえ４との間隔Ｓがどのような値になっても、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とが相対移動している限り、双方のギャップｇは適正に保たれ、最も効率よく発電がなされるのである。

以上の説明のように、第１の実施形態は、上押さえ３と下押さえ４との間隔Ｓにより第２の電極部材２０の位置によりあがきＤが生まれ、よってギャップｇが変動するが、第２の電極部材２０の断面を翼形状にすることで揚力Ｆを発生させ、この揚力Ｆによってギャップｇの変動を抑え、発電装置の姿勢がどのように変化しても安定した発電を効率よく継続できる。

［第１の実施形態の発電装置を含む発電機器の回路構成の説明：図１、図４］
次に、第１の実施形態の発電装置を含む発電機器の回路構成の概略を、図４を用いて説明する。図４において、符号６０は発電装置１を含む発電機器である。発電機器６０は、発電装置１と整流回路３０、及び、平滑回路４０などによって構成される。

発電装置１の第１の電極部材１０の表面には、前述したように、回転中心から放射状に複数の金属層１１が形成されている。この金属層１１は、図１と同様に一例として８個で構成され、隣接する金属層１１同士が電気的に分離されるように、配線によって１つずつ飛び飛びに電気的に接続されている。

すなわち、４個の金属層１１が配線１３ａによって１つずつ飛び飛びに接続され、他の４個の金属層１１が配線１３ｂによって１つずつ飛び飛びに接続される。この２本の配線１３ａ、１３ｂは整流回路３０に接続している。この構成によって、金属層１１に誘起される電荷は、整流回路３０に交流電圧（例えば、数１０Ｖ）として入力されることになる。

整流回路３０は、４つのダイオードによって構成される全波整流回路である。この整流回路３０は、一組の入力端子３０ａ、３０ｂと、一組の出力端子３０ｃ、３０ｄとを有している。前述の金属層１１に接続された一方の配線１３ａは、整流回路３０の入力端子３０ａに接続され、他方の配線１３ｂは、整流回路３０の入力端子３０ｂに接続される。この接続により配線１３ａ、１３ｂからの交流電圧は、整流回路３０によって全波整流され、出力端子３０ｃ、３０ｄから整流電圧Ｖｒが出力される。

平滑回路４０は、整流電圧Ｖｒを入力して平滑化する平滑回路ブロックと、平滑化した電圧を所定の電圧に降圧する降圧回路ブロックとを有する、よく知られた回路である。
この平滑回路４０は、一組の入力端子４１ａ、４１ｂと、一組の出力端子４１ｃ、４１ｄとを有している。入力端子４１ａ、４１ｂは、整流回路３０の出力端子３０ｃ、３０ｄが接続されて、全波整流された整流電圧Ｖｒを入力する。

平滑回路４０は、図示しない平滑回路ブロックに整流電圧Ｖｒが入力されると、内部のコンデンサなどにより整流電圧Ｖｒを平滑化し、安定した直流電圧に変換する。さらに、内部の図示しない降圧回路ブロックによって所定の低電圧（例えば、３Ｖ）に変換し、出力端子４１ｃ、４１ｄから、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

符号１００は、発電機器６０からの出力電圧Ｖｏｕｔの供給を受けて動作する外部の負荷回路である。負荷回路１００は、発電機器６０（発電装置１）が搭載される携帯型電子機器等の内部回路に相当する。例えば、携帯型電子機器等を腕時計とすると、負荷回路１００は、腕時計の発振回路や分周回路等で構成される電子回路に相当する。

発電機器６０（発電装置１）が腕時計に組み込まれている場合、腕時計の使用者（図示せず）が、歩いたりすることで腕が動き、それが外力になり発電装置１の第２の電極部材２０（図１参照）が、錘２２による重量バランスの偏りで回転運動を行う。その結果、第１の電極部材１０の金属層１１に電荷が発生し、その電荷が交流電圧となり、整流回路３０及び平滑回路４０を経て低電圧の出力電圧Ｖｏｕｔとして出力され、腕時計の電子回路を動作させるのである。

［第１の実施形態の発電装置の発電原理の説明：図２、図５］
次に、第１の実施形態の発電装置１の金属層１１に発生した電荷が電気エネルギとして取り出される様子を、図５を用いて詳述する。
ここで、図５（ａ）、図５（ｂ）は共に、図２の円弧状の切断線Ｃ−Ｃ´で切断した第１の電極部材１０と第２の電極部材２０との模式的な部分断面図と、前述した整流回路３０と平滑回路４０との接続を示している。

図５（ａ）では、発電装置１には外力が印加されておらず、第２の電極部材２０は回転運動をせず、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０とが相対移動していない場合を示
している。図５（ｂ）では、発電装置１に外力が印加され、第２の電極部材２０が回転運動し矢印Ｍの方向に相対移動して、帯電層２１が対向する金属層１１の１つ分だけ移動した場合の様子を示している。

図５（ａ）に示す状態では、帯電層２１ａと帯電層２１ｂとは、常にマイナスに帯電しているので、帯電層２１ａに対向している金属層１１ａと、帯電層２１ｂに対向している金属層１１ｃとには、プラス電荷が発生している。一方、金属層１１ａと金属層１１ｃとの間に位置する金属層１１ｂは、帯電層２１と対向していないので電荷の発生はない。

図５（ｂ）に示す状態では、プラス電荷が誘導されている金属層１１ａと金属層１１ｃとは、相対移動により対向する帯電層２１がなくなったため、このプラス電荷は解放されて、配線１３ａを通って整流回路３０へ流れ込む。これにより、平滑回路４０から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。またこの状態では、新たに金属層１１ｂが帯電層２１ａと対向するので、この金属層１１ｂに新たにプラス電荷が発生する。

次に、第２の電極部材２０がさらに矢印Ｍの方向に相対移動すると、金属層１１と帯電層２１との位置関係は、図５（ａ）と同様になり、図示はしないが、プラス電荷が発生している金属層１１ｂは、対向する帯電層２１がないために、プラス電荷は解放されて、配線１３ｂを通って整流回路３０へ流れ込み、平滑回路４０からＶｏｕｔが出力される。
このとき、図５（ａ）と同様に、金属層１１ａと金属層１１ｃとは、帯電層２１に対向するのでプラス電荷が誘導される。

このように、第２の電極部材２０が回転運動によって相対移動すると、第１の電極部材１０の金属層１１と第２の電極部材２０の帯電層２１との位置関係が順次変化するので、金属層１１は交互に電荷の発生と解放とが起き、整流回路３０へ交流電圧が伝達されて、平滑回路４０から出力電圧Ｖｏｕｔが継続的に出力される。

以上のように、第１の実施形態の発電装置は、第１の電極部材１０と第２の電極部材２０が回転可能に軸支されて回転方向に相対移動するので、狭いスペースであっても金属層１１と帯電層２１との重なり面積の変化量が大きく、発電効率に優れた発電装置を提供できる。

また、金属層１１と帯電層２１とのギャップｇは、前述したように、第２の電極部材２０の断面が翼形状であるので、回転による相対移動によって揚力Ｆが発生し、ギャップｇを発電装置１の姿勢に関わりなく安定して適正に維持できる。この結果、姿勢差の影響を受けることなく安定した発電を効率よく継続する発電装置を提供できる。

［第１の実施形態の変形例１の構成説明：図１、図６］
次に、第１の実施形態の変形例１の発電装置の構成を図６を用いて説明する。
図６は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０ｄの拡大断面図である。この変形例１は、第２の電極部材２０ｄの表面に形成される帯電層２１ｄの膜厚を階段状にして翼形状を形成することが特徴である。

図６に示すように、変形例１の第２の電極部材２０ｄは、前述の第１の実施形態の第２の電極部材２０（図３（ｂ）参照）と同様に、その断面が翼形状である。そして、変形例１では、第２の電極部材２０ｄの表面に形成する帯電層２１ｄの膜厚を階段状に変えることで翼形状を実現している。

すなわち、第２の電極部材２０ｄが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転することで周囲の空気とぶつかる側（図面上の左側）の帯電層２１ｄの膜厚を最も厚く形成し、空気の流れ
に沿って膜厚を階段状に薄く形成することで、第２の電極部材２０ｄの断面を翼形状としている。

このように第２の電極部材２０ｄの断面を階段状に形成して翼形状にすることで、第１の実施形態と同様に、第２の電極部材２０ｄが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転すると、周囲の空気の流れＫが変えられる。帯電層２１ｄの膜厚が階段状に変化していても、それに沿って空気は流れるので、第２の電極部材２０ｄの上面と下面との間で空気の流れＫの速度に差が生じる。よって、第２の電極部材２０ｄには矢印Ｍで示す相対移動方向に直交する方向に揚力Ｆが発生する。

この揚力Ｆの発生によって第１の実施形態と同様に、第２の電極部材２０ｄは、上押さえ３に当接して、あがきＤが下押さえ４側にできるようになる（図３（ａ）参照）。この結果、ギャップｇは上押さえ３に規制されて狭められ適正な距離で安定するので、発電量の変動が減り、大きな発電量を安定して出力することができる。

なお、帯電層２１ｄの膜厚を階段状に変化させるには、第１の実施形態と同様に、帯電材料を第２の電極部材２０ｄの表面に塗布した後、一例として帯電層２１ｄの形状に対応した型を型押しすることによって所定の膜厚に形成する方法を用いることができる。

また、帯電層２１ｄをシリコン酸化膜などで構成するときは、そのシリコン酸化膜を均等な膜厚で形成し、その後に帯電層２１ｄが階段状になるように、例えば、エッチングガスに四フッ化メタン（ＣＦ₄）等を用いてマスクをずらして複数回エッチングする、良く知られた手法を用いることで容易に構成できる。

なお、図６に示す例では、図面を見やすくするために階段状の段差を大きくしているが、もちろん図示する形状に限定はされない。階段の数やその段差の大きさを変えてもよいことは無論である。

このように、この変形例１は、帯電層２１ｄの膜厚を階段状に形成して翼形状を得ているので、翼形状を形成しやすい利点がある。

［第１の実施形態の変形例２の構成説明：図１、図７］
次に、第１の実施形態の変形例２の発電装置の構成を図７を用いて説明する。
図７は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０ｅの拡大断面図である。この変形例２は、第２の電極部材２０ｅに形成される帯電層２１ｅが滑らかな曲面によって翼形状を形成することが特徴である。

図７に示すように、変形例２の第２の電極部材２０ｅは、前述の第１の実施形態の第２の電極部材２０（図３（ｂ）参照）と同様に、その断面が翼形状である。そして、変形例２では、第２の電極部材２０ｅの帯電層２１ｅを曲面に形成して膜厚を変え翼形状としている。

すなわち、第２の電極部材２０ｅが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転することで周辺の空気とぶつかる側（図面上の左側）の帯電層２１ｅを曲面によって大きく盛り上げ、空気の流れＫに沿って膜厚を滑らかに徐々に薄く形成することで、第２の電極部材２０ｅの断面を翼形状としている。

また、この変形例２は、帯電層２１ｅを曲面によって翼形状としているが、この曲面の形状を微調整することで、空気の流れＫを最適化し、相対移動速度が遅くても大きな揚力Ｆを得ることができる利点がある。

なお、帯電層２１ｅを曲面によって翼形状にさせるには、第１の実施形態と同様に、帯電材料を第２の電極部材２０ｅの表面に塗布した後、一例として帯電層２１ｅの形状に対応した型を型押しすることによって所定の曲面に形成する方法を用いることができる。

また、帯電層２１ｅをシリコン酸化膜などで構成するときは、そのシリコン酸化膜を均等な膜厚で形成し、その後に帯電層２１ｅが階段状になるように、例えば、エッチングガスに四フッ化メタン（ＣＦ₄）等を用いてマスクをずらして複数回ドライエッチングし、さらにその表面の段差が少なくなるように、例えば、フッ酸（ＨＦ）を用いた水溶液などでウェットエッチングする、良く知られた手法で容易に構成できる。

［第１の実施形態の変形例３の構成説明：図１、図８］
次に、第１の実施形態の変形例３の発電装置の構成を図８を用いて説明する。
図８は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０ｆの拡大断面図である。この変形例３は、第２の電極部材２０ｆ自体の厚みを変えることで翼形状を形成していることが特徴である。

図８に示すように、変形例３の第２の電極部材２０ｆは、前述の第１の実施形態の第２の電極部材２０（図３（ｂ）参照）と同様に、その断面が翼形状である。そして、変形例３では、第２の電極部材２０ｆ自体の厚みを変えて傾斜させることで、その断面を翼形状としている。

すなわち、第２の電極部材２０ｆが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転することで周辺の空気とぶつかる側（図面上の左側）の第２の電極部材２０ｆの厚みを厚くし、空気の流れＫに沿って厚みを直線的に薄く形成することで、断面を翼形状としている。なお、第２の電極部材２０ｆの表面に形成される帯電層２１ｆの膜厚は均一でよい。

このように第２の電極部材２０ｆの断面を第２の電極部材２０ｆ自体の厚みを変えて翼形状にすることで、第１の実施形態と同様に、第２の電極部材２０ｆが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転すると、周囲の空気の流れＫが変えられて翼形状に沿って流れるので、第２の電極部材２０ｆには矢印Ｍで示す相対移動方向Ｍに直交する方向に揚力Ｆが発生する。

なお、第２の電極部材２０ｆの厚さを変えるには、精密研削加工技術を用いることができる。例えば円柱状の母材から削り出すなどして形成する。

また、第２の電極部材２０ｆは、所謂、三次元造形法（積層造形法）を用いて形成してもよい。このような手法は複雑な形状も一体造形が可能であるから、第２の電極部材２０ｆを構成する材質が造形可能な材料（例えば、樹脂）とするときには、良い選択肢である。

また、第２の電極部材２０ｆをシリコンで構成する場合には、そのシリコンを均等な膜厚で形成し、その後に帯電層２１ｆを形成する表面が微細な階段状になるように、例えば、エッチングガスに六フッ化硫黄（ＳＦ₆）等を用いてマスクをずらして複数回ドライエッチングし、さらにその表面の段差が少なくなるように、例えば、硝酸（ＨＮＯ₃）を用いた水溶液などでウェットエッチングする、良く知られた手法で容易に構成できる。

このように、表面に傾斜面を有する第２の電極部材２０ｆを形成することは、薄い膜厚の帯電層２１ｆの膜厚を変えるよりも加工が容易となる利点がある。

［第１の実施形態の電池ケースへの組み込み説明］
なお、第１の実施形態の発電装置１をボタン電池型ケースに組み込んで、発電装置をパッケージ化することができる。

このように、発電装置１をボタン電池型ケースに組み込むことで、見かけ上はボタン電池と同様だが、自己発電する発電機器とすることができる。このボタン電池型ケースの外形寸法とプラス及びマイナスの端子位置とを、良く知られた一次電池のボタン電池と同じにしておけば、本来その一次電池のボタン電池等を使用する携帯型電子機器等に使用できるようになる。

もちろん、発電機器５０の出力電圧Ｖｏｕｔを、そのボタン電池と同じにしておけば（つまり、搭載する携帯型電子機器等が欲する電源電圧と同等にしておけば）、その携帯型電子機器等が使用していた一次電池と取り替えるだけで、容易に、振動で発電して駆動する自己発電駆動型の携帯型電子機器等を実現できる。

なお、ボタン電池型ケースに組み込む発電装置は、前述の第１の実施形態の変形例１、２、３でもよく、また、後述する第２及び第３の実施形態の発電装置を組み込んでもよい。

［第２の実施形態の発電装置の説明：図１、図９］
次に、第２の実施形態の発電装置の構成を、図９を用いて説明する。
すでに説明した第１の実施形態では、第１及び第２の電極部材は一方向（説明した例では、時計回り）に回転する例であった。この第２の実施形態は、第１及び第２の電極部材が揺動回転可能に軸支されており、第２の電極部材の相対移動方向が、時計回り、又は反時計回りとなる例である。そして、回転方向が異なっても揚力が発生するような翼形状を有することが特徴である。

図９は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０ｇの拡大断面図である。この第２の実施形態の基本構成は、第１の実施形態と同様であり、第２の電極部材２０ｇの構成のみが異なる。すなわち、第２の電極部材２０ｇは、その相対移動方向が時計回り、又は反時計回りのどちらに回転しても揚力が発生する翼形状を有している。

図９に示すように、第２の実施形態の第２の電極部材２０ｇは、前述の第１の実施形態の第２の電極部材２０（図３（ｂ）参照）と同様に、その断面が翼形状であるが、揺動回転に対応するために、第２の電極部材２０ｇの表面に形成する帯電層２１ｇの表面を凸曲面、所謂、ドーム形状やかまぼこ形状と呼ばれる形状にしている。

このように第２の電極部材２０ｇの断面を凸曲面の翼形状にすることで、第２の電極部材２０ｇの矢印Ｍ´で示す相対移動方向が、時計回り、又は反時計回りのどちらの方向でも（図面上では、左方向または右方向）、周囲の空気の流れＫが変えられて翼形状に沿って流れるので、第２の電極部材２０ｇには矢印Ｍ´で示す相対移動方向に直交する方向に揚力Ｆが発生する。

この揚力Ｆによって、第２の電極部材２０ｇは、図示しない上押さえに当接し、その結果、第１の電極部材の金属層とのギャップが規制され、適正な距離で安定するので、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

この第２の実施形態の発電装置は、回転方向を問わず相対移動方向に直交する方向に揚力を発生させることができる。このため、発電装置にかかる外力の影響により第１及び第２の電極部材の回転方向が一方向とはならない場合、意図的に時計回りと反時計回りとを
させたい場合などに適している。

なお、第１及び第２の電極部材の揺動回転は、図示はしないが、例えば、第２の電極部材２０ｇの一部とフレームやシャシーとの間をコイルバネ等の弾性手段で係止するなどすればよい。

そのような構成にすれば、発電装置にかかる外部からの外力が少なくても、弾性手段の伸縮により第２の電極部材２０ｇを揺動回転させることができる。また、外部からの外力が途絶えても、弾性手段の伸縮により第２の電極部材２０ｇを一定時間揺動回転させることもできるので、より大きな発電量を得ることができる。

以上のように第２の実施形態は、第２の電極部材２０ｇの矢印Ｍ´で示す相対移動方向が、時計回り、又は反時計回りのどちらの方向でも揚力Ｆを発生するので、相対移動の方向が限定されずに、安定した発電が維持される利点がある。

［第３の実施形態の発電装置の説明：図１０］
次に、第３の実施形態の発電装置の構成を、図１０を用いて説明する。
図１０は、図１で示す切断線Ａ−Ａ´で切断された第２の電極部材２０ｈの拡大断面図である。この第３の実施形態の基本構成は、第１の実施形態と同様であり、第２の電極部材２０ｈの構成のみが異なる。すなわち、第２の電極部材２０ｈは、相対移動方向に対して所定の角度で傾斜することで翼形状を形成している。

図１０に示すように、第３の実施形態の第２の電極部材２０ｈの断面は平板状であり、且つ、帯電層２１ｈも第２の電極部材２０ｈの表面に均一に形成されている。そして、この第２の電極部材２０ｈは、図示するように、矢印Ｍで示す相対移動方向に対して所定の角度θで傾斜することによって翼形状を形成している。すなわち、第２の電極部材２０ｈは、タービンや航空機のターボファンエンジンを構成する羽根（ファン）のように、回転方向に対して所定の角度θで傾斜して、回転中心から放射状に形成されている。

このように第２の電極部材２０ｈが傾斜によって翼形状を形成していることで、第２の電極部材２０ｈが矢印Ｍで示す相対移動方向に回転すると、周囲の空気の流れＫが変えられて傾斜した第２の電極部材２０ｈに沿って流れるので、第２の電極部材２０ｈには矢印Ｍで示す相対移動方向に直交する方向に揚力Ｆが発生する。

以上のように第３の実施形態は、平板状の第２の電極部材２０ｈを傾斜させることで揚力Ｆを得ることができ、翼形状を実現するために、第２の電極部材２０ｈの厚みや帯電層２１ｈの膜厚を変える加工等が不要となり、加工工程を簡略化できる利点がある。

以上、本発明の発電装置について３つの実施形態及びその変形例を説明した。もちろんその説明に際して用いた斜視図や断面図等は、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を満たすものであれば、任意に変更してよい。

説明した実施形態では、金属層及び帯電層は、矢印Ｍで示す相対移動方向に沿って所定の間隔を空けて複数配置されている例であったが、もちろん、発電装置は、金属層と帯電層との対が１つであってもよい。その場合の帯電層や金属層の面積などは、発電装置の仕様により自由に決めることができる。

本発明の発電装置は、単純な構成で小型化が容易であり、高効率で安定した発電ができるので、携帯型電子機器の電源装置として、幅広く利用することができる。特に、腕時計
の電源装置として好適である。

１ 発電装置
２ 軸
３ 上押さえ
４ 下押さえ
１０ 第１の電極部材
１１ 金属層
１２、２３ 貫通孔
２０ 第２の電極部材
２１ 帯電層
２２ 錘
３０ 整流回路
４０ 平滑回路
５０、６０ 発電機器
５１ プラス側筐体
５２ マイナス側筐体
５３ ガスケット
５６、５７ リード線
１００ 負荷回路
Ｍ、Ｍ´ 相対移動方向
Ｆ 揚力
Ｋ 空気の流れ

Claims (3)

1. 所定形状の金属層を表面に有する第１の電極部材と、
   所定形状の帯電層を表面に有する第２の電極部材と、
   前記金属層と前記帯電層とが所定の距離で離間して対向するように前記第１の電極部材と前記第２の電極部材とを配置し、
   前記第１の電極部材と前記第２の電極部材とが相対移動し、前記金属層と前記帯電層との平面的な重なり面積の変化に伴う前記金属層に生じる電荷の変化を電気エネルギとして取り出す発電装置において、
   前記第２の電極部材又は前記帯電層は、前記相対移動時に、前記相対移動方向に直交する方向に揚力を発生するようにその断面が翼形状である
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記第２の電極部材は、前記相対移動方向に対して所定の角度で傾斜することで翼形状を構成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記第１の電極部材と前記第２の電極部材とは回転可能に軸支されており、
   前記金属層と前記帯電層とは、回転中心から放射状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。

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