JP2016185022A - 発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】静電容量型発電装置は、帯電膜と電極のギャップが狭いほど発電量は大きいが、発電器を構成する部品の精度によってギャップ量が大幅にばらつくため、帯電膜と電極が接触して発電に必要な電荷を喪失したり、ギャップを適正な幅に調整するための作業時間が多くかかり組み立てコストが高くなるという課題があった。
【解決手段】
対向基板と、対向基板に対して回動する回転部材と、対向基板が回転部材に対向する対向面と回転部材が対向基板に対向する対向面のうちの一方に形成された帯電膜と、他方に形成された対向電極を有し、前記回転部材は、前記対向基板と接触する接触面を有する発電装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置、携帯型電気機器、携帯型時計等に関する。本発明の発電装置のエネルギー源としては、人体の運動、機械等の振動、その他環境に広く存在する運動エネルギーを利用することができる。

エレクトレット材料による静電誘導を利用した実用的発電装置が、特許文献１〜２、４に開示されている。静電誘導とは、帯電した物体を導体に接近させると、帯電した物体とは逆の極性の電荷が引き寄せられる現象のことである。静電誘導現象を利用した発電とは、「電荷を保持する膜」（以下、帯電膜という）と「対向電極」を配置した構造において、この現象を利用して、両者を相対移動させて誘導された電荷を取り出す発電のことである。

エレクトレット材料による場合を例にとると、エレクトレットは、誘電体に電荷を打ち込んだものであり、半永久的に静電場を発生させるものである。このエレクトレットによる発電では、図８にみられるように、エレクトレットにより形成される静電場によって対向電極に誘導電荷が生じ、エレクトレットと対向電極の重なりの面積を変化させれば、外部電気回路において交流電流を発生させることができる。このエレクトレットによる発電は、構造が比較的簡単で、電磁誘導によるものより、低周波領域において高い出力が得られ有利であって、近年いわゆる「環境発電（Energy Harvesting）」として注目されている。

また、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて時計部品の歯車などをシリコン基板上に作製する技術が特許文献３に開示されており、ＭＥＭＳ技術を用いて時計部品の加工精度を向上させる技術として注目されている。
特許文献１の従来技術は、弾性体で共振させて回動振幅を大きくさせ、発電効率を向上させるものである。しかしながら、これらの従来技術では、いずれもエレクトレット膜と電極間ギャップを正確に制御して発電効率を上げようとする技術は何ら示されていない。

特開２０１３‐５９１４９号公報（図２） 特表２００５‐５２９５７４号公報（数１０） 特許第５４７８４９８号公報（図１） 特開２０１３−１３５５４４号公報（図９）

図９は、帯電膜と電極を対向配置して帯電膜を振動させたときの帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示したグラフである。図１０は、帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量Ｐとの関係を示した負荷調整電力方程式を示す図である。

図９において、図１０のジャスティン・ボーランドらの研究（特許文献２参照）に記載された負荷調整電力方程式に基づいて、帯電膜−対向電極間ギャップｇ（基板間ギャップｇ）に対する発電量が示されている。図９のグラフからわかるようにエレクトレット膜と発電電極のギャップｇが１００μ以下になればなる程、発電量に大きく寄与してくる。図９に示すように、帯電膜と対向電極間のギャップｇが狭いほど発電量は大きいが、ギャッ
プｇの変化に対する発電量の増減も大きくなり、個々の発電装置における能力差が大きくなる。また、帯電膜と対向電極が接触してしまうと帯電膜に蓄えられた電荷が抜けてしまい、発電能力が大幅に落ちてしまう。このため、大きな発電量を安定して得るためには、狭いギャップｇを厳密に維持する必要がある。

特許文献２にみられるような従来技術では、発電装置を構成するベースとなる板の上に基板を配置して、この基板の上にエレクトレット膜が形成されている。そして、このエレクトレット膜に対向して、回転板の下面に対向電極が配置されているとともに、回転板の軸は、軸受により上下の支持がされた構成となっている。このような従来技術の場合、エレクトレット膜と発電電極のギャップｇは、３つの部品である基板、軸、軸受の下記の加工精度によって大きく変動する。

（１）基板の厚み
（２）軸のガタツキ
（３）軸受けの位置精度、寸法精度
（４）軸の寸法精度
大きな発電量を得るために、ギャップｇを100μm以下に管理する必要があるが、基板は一般的な電子基板であり寸法精度が100〜180μmと大きく、基板上に形成されたエレクトレット膜の位置ズレ量も同程度になり、ギャップｇに対する影響割合が非常に大きい。また、軸受けの位置精度と寸法誤差により、軸に勘合する回転体の位置が軸の上下方向にズレるだけでなく、軸の傾きが生じて回転体も傾くため、エレクトレット膜と対向電極の間のギャップｇを均一に保てなくなる。

このような問題は、発電装置の組み立て時に、軸の位置と傾きを逐一調整して帯電膜と対向電極のギャップｇを適正にすることによって対応が可能であるが、調整時間がかかることからコスト的な問題となっていた。

本発明による発電装置は、対向基板と、前記対向基板に対して回動する回転部材と、前記対向基板が前記回転部材に対向する対向面と前記回転部材が前記対向基板に対向する対向面のうちの一方に形成された帯電膜と、他方に形成された対向電極を有し、前記回転部材は、前記対向基板と接触する接触面を有することを特徴としている。

本発明によれば、対向基板と回転部材が接触しているためにエレクトレット膜などの電荷保持部材と電極間のギャップｇのバラツキを低減させ、ギャップｇの大幅な調整を必要としない。

本発明の第１実施形態を示す詳細断面図である。 （ａ）本発明の第１実施形態におけるカナの斜視図である。（ｂ）本発明の第１実施形態における回転部材の斜面図である。（ｃ）本発明の第１実施形態における軸の斜視図である。 本発明の第１実施形態における対向基板の上面図である。 （ａ）本発明の第１実施形態の第１変形例における回転部材の断面図である。（ｂ）本発明の第１実施形態の第１変形例における回転部材の断面図である。（ｃ）本発明の第１実施形態の第２変形例における対向基板の断面図である。 （ａ）本発明の第１実施形態の第３変形例における断面図である。（ｂ）本発明の第１実施形態の第３変形例における先端面の平面図である。（ｃ）本発明の第１実施形態の第３変形例における対向基板の平面図である。 本発明の第１実施形態の第３変形例における先端面の平面図である。 （ａ）本発明の第１実施形態第４変形例を示す詳細断面図である。（ｂ）本発明の第１実施形態第５変形例を示す詳細断面図である。 本発明の第１実施形態第６変形例を示す詳細断面図である。 本発明の第２実施形態を示す詳細断面図である。 （ａ）本発明の第２実施形態における回転部材を示した上面図である。（ｂ）本発明の第２実施形態における回転部材を示した下面図である。（ｃ）本発明の第２実施形態における回転部材を示した斜視図である。 本発明の第２実施形態における対向基板の上面図である。 図６の破線Ｃに沿ったＣ−Ｃ断面図である。 静電誘導現象を利用した発電の原理を説明する説明図である。 帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示したグラフである。 帯電膜−対向電極間ギャップｇと発電量との関係を示した負荷調整電力方程式を示す図である。 図１１−４の破線Ａに沿ったＡ−Ａ断面の生産工程を示した図である。 図１１−４の破線Ａに沿ったＡ−Ａ断面の生産工程を示した図である。 図１１−４の破線Ａに沿ったＡ−Ａ断面の生産工程を示した図である。 第１実施形態における回転部材のＡ−Ａ断面方向を示した平面図である。 本発明の第１実施形態の第７変形例を示す発電装置１００の断面図である。 （ａ）第１実施形態の第８形例を示す発電装置１００の断面図である。（ｂ）図１３（ａ）中の断面Ｄ周辺を拡大した断面図である。（ｃ）図１３（ａ）中の断面Ｄを示した平面図である。

図面を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。以下、各実施態様について、同一構成の部分には、同一の符号を付してその説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態を示す模式的断面図であり、１００は発電装置であり、１１０は外部からの動力を伝達する動力伝達歯車であり、１０６は動力伝達車から動力を受けるカナであり、１０５はカナ１０６から伝達された動力を受ける軸であり、１０１は軸１０５から伝達された動力によって回転する回転部材であり、１０３は回転部材１０１に帯電材料が塗布された帯電膜であり、１０２は対向基板であり、１０４は対向基板上に設けられ、帯電膜１０３の静電誘導によって電力を発生する対向電極である。

１１２は対向基板１０２を支持し、軸１０５の軸穴１１３を有する地板であり、１１１は地板１１２を支持し、回転部材１０１、カナ１０６、軸１０５を収用する中受けであり、１０９は中受け１１１を支持し軸１０５の軸穴１１４とバネ穴１１５を有する支持板であり、１０８はバネ穴１１５によって勘合して支持される蓋部であり、１０７は蓋部１０８によって軸１０５を押圧するバネである。

次に図２−１、図２−２を用いて本実施例の構成部材について説明を行なう。
図２−２は本発明の第１実施形態における対向基板の上面図である。

本実施形態の発電は特許文献４のように対向基板１０２に２つの対向電極１０４（対向電極１０４ａ、対向電極１０４ｂ）を設け、回転部材１０１に配置された帯電膜１０３と対向する位置に対向電極１０４を配置し、回転部材１０１が回転することによって、２つの対向電極１０４間に電力が発生する発電形態としている。
なお、本発明の第１実施形態においては特許文献４のように複数配置された対向電極に対して交互に配線Ａ、Ｂに接続し発電電流を取り出す発電形態として示したが、本発明はこの発電形態に限定されず、特許文献１のように対向基板に複数設けられた対向電極を全て配線Ａに接続し、回転部材における軸等の導電部材に配線Ｂを接続して発電電流を取り出す発電形態としても良い。

図２−２に示すように対向基板１０２は軸１０５が貫通する丸穴部２０６と対向電極１０４を有し、対向電極１０４は対向電極１０４ａと対向電極１０４ｂが丸穴部２０６の外周に交互に複数配置されており、対向電極１０４ａは配線３０１、対向電極１０４ｂは配線３０２によって接続され、配線３０１、配線３０２は整流回路３０３に接続されている。

対向電極１０４ａ、対向電極１０４ｂに発生する電位が同期して発電するように、対向電極１０４ａと対向電極１０４ｂの配置間隔が、回転部材１０１の帯電膜１０３と穴部２０５の配置間隔と同一、すなわち夫々の円中心に対して同一角度の間隔となるように設けると、発電効率が最も良くなる。また、対向基板１０２の丸穴部２０６の外周部には、回転部材１０１の先端面２１０と接触する接触面２０７を有し、接触面２０７の接触面は研磨されており、面粗さが小さくなっている。

本発明の帯電膜１０３に用いられるエレクトレット材料には、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。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。

さらに、その他にもエレクトレット材料としては、高分子材料としてポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリビニルクロライド（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などがあり、無機材料としては前述したシリコン酸化物（ＳｉＯ２）やシリコン窒化物（ＳｉＮ）なども使用することができる。その他、周知の帯電膜を使用することができる。
次に第１実施形態の発電装置１００の動作について説明を行なう。
発電装置１００は回転錘などの外部から伝達された動力を動力伝達車１１０からカナ１０６、軸１０５を介して回転部材１０１に伝達され、回転部材１０１が回動する。

回転部材１０１が回転すると、帯電膜１０３と対向電極１０４間との重なり面積が増減し、対向電極１０４に引き寄せられる正電荷が増減して、帯電膜１０３と対向電極１０４間に交流電力を発生する。発電装置１００は、対向電極１０４ａ、対向電極１０４ｂに発生した交流電力を配線３０１、配線３０２を介して整流回路３０３に入力して、整流回路３０３で直流変換して、蓄電手段などの外部に取り出し蓄電させる。

整流回路３０３はブリッジ式で４個のダイオードを備え、入力側には配線３０１、配線３０２が接続されている。出力側には平滑回路を介して図示しない電源回路が接続されており、整流回路で直流変換された発電電力を図示しない蓄電池に蓄電し、電子機器に電力を供給する。

図２−１（ａ）は本発明の第１実施形態におけるカナ１０６の斜視図である。
カナ１０６は中心に軸１０５を貫通させる角穴２００を有し、角穴２００は軸１０５へ動力を伝達するために四角形状をしている。なお、角穴２００、２０４、角軸部２０２の穴形状は四角形状に限ったものではなく、三角形、十字形など、軸穴の円周の一部あるいは複数部位が、軸穴の中心に対して異なる距離となる形状にすることで、軸１０５が軸穴と勘合でき空回りを防ぐことが可能である。

図２−１（ｂ）は本発明の第１実施形態における回転部材１０１の斜視図である。
回転部材１０１は中心に軸１０５を貫通させる角穴２０４を有し、カナ１０６と同じ理由で四角形状をしている。回転部材１０１は、穴部２０５と帯電材料が塗布された帯電膜１０３を有しており、穴部２０５と帯電膜１０３は回転部材１０１の中心に対して周回方向に交互に配置され、回転部材１０１の中心部は凸形状に形成された凸部２０１を有し、凸部２０１は研磨され面粗さが小さい先端面２１０を先端に有している。

図２−１（ｃ）は本発明の第１実施形態における軸１０５の斜視図である。
軸１０５は角軸部２０２と押圧部２０３を有しており、軸１０５の端部のうち押圧部２０３に近い側を軸上端部２１１といい、他方を軸下端部２１２という。軸１０５の軸下端部２１２をカナ１０６、回転部材１０１の順に貫通させ、角軸部２０２を夫々の角穴２００、２０４と噛み合わせて、軸下端部２１２を地板１１２の軸穴１１３に差込む。軸上端部２１１を支持板１０９の軸穴１１４とバネ１０７で軸支するが、バネ１０７により軸１０５を押下するため押圧部２０３がカナ１０６と回転部材１０１を押下し、回転部材１０１の先端部２１０が対向基板１０２の接触面２０７の面に押し当てられる。

回転錘（不図示）等により発生した動力は、動力伝達歯車１１０を介してカナ１０６に伝達され、軸１０５と共に回転部材１０１を回転させるが、先端面２１０と接触面２０７とが面接触しながら回転するため接触抵抗が生じ、回転動作の妨げとなる。従って、絶縁性、平坦性、剛性の高い材料を用いて、回転部材１０１と対向基板１０２とを構成すると共に、接触面を研磨することで摩擦抵抗を減少させる。上記材料と研磨の詳細については後述する。先端部２１０と接触面２０７とが面接触する部位のみに、上記材料を配置しても良いし、金属材料を蒸着しても同様の効果が得られる。

上記構成によれば、帯電膜１０３と対向電極１０４とのギャップｇは、回転部材１０１の凸部２０１の高さで決まるため、回転部材１０１の製作精度でギャップｇを管理でき、対向基板１０２の厚み精度に左右されずに済む。また、先端面２１０と対向基板１０２の接触面を接触させて回転部材１０１を支えるため、回転部材１０１と対向基板１０２を平行に保つことができ、帯電膜１０３と対向電極１０４の間のギャップｇを面内で均一にできる。

次に発電装置１００の発電性能を左右する回転部材１０１の製造方法について図１１−１、図１１−２、図１１−３、図１１−４を用いて説明する。

図１１−１、図１１−２、図１１−３は本発明の第１実施形態における回転部材の生産工程を示した工程図である。本発明の回転部材１０１は特許文献３で開示されているＭＥＭＳ技術により形成される。

図１１−１（ａ）〜（ｅ）、図１１−２（ｆ）〜（ｋ）、図１１−３（ｍ）、（ｎ）は、図１１−４の破線Ａに沿ったＡ−Ａ断面図であり、１１０１は基材１１００を研磨した研磨面を示す。基材１１００に用いられる材料には、シリコンなどの絶縁抵抗、基材の平坦性、機械的剛性が高い材料が望ましいが、ステンレスなどの金属、セラミックなどでも良
い。

図１１−１（ｂ）は、図１１−１（ａ）の状態からエッチングを防止するレジスト膜１１０２を塗布した図である。

図１１−１（ｃ）は、図１１−１（ｂ）の状態からレジスト膜１１０２の先端面２１０、角穴２０４以外の部分に当たらないようにするためのマスク１１０３を被せ、光を当てた図であり、光が当たった部分のレジスト膜１１０２ａは変質し、光が当たらなかったレジスト膜１１０２ｂとは除去する溶液が異なるため、選択的に露光していないレジスト膜を排除できる。

図１１−１（ｄ）は、図１１−１（ｃ）の状態から露光していないレジスト膜１１０２ｂを除去した図である。

図１１−１（ｅ）は、図１１−１（ｄ）の状態から基材１１００を選択的にエッチングした図であり、エッチング時間、エッチング液の濃度を制御することによってエッチングの深度を正確に制御することが可能となる。

図１１−２（ｆ）は、図１１−１（ｅ）の状態から露光したレジスト膜１１０２ａを除去した図である。

図１１−２（ｇ）は、図１１−２（ｆ）の状態からエッチングを防止するレジスト膜１１０４を塗布した図である。

図１１−２（ｈ）は、図１１−２（ｇ）の状態からレジスト膜１１０４の角穴２０４、穴部２０５に相当する部分に当たらないようにするためのマスク１１０５を被せ、光を当てた図であり、光が当たった部分のレジスト膜１１０４ａは変質し、光が当たらなかったレジスト膜１１０４ｂとは除去する溶液が異なるため、選択的に露光していないレジスト膜を排除できる。

図１１−２（ｊ）は、図１１−２（ｈ）の状態から露光していないレジスト膜１１０４ｂを除去した図である。

図１１−２（ｋ）は、図１１−２（ｊ）の状態から基材１１００を選択的にエッチングした図であり、基材１１００における露光したレジスト膜１１０４ａが塗布されていない部分は除去される。

図１１−３（ｍ）は、図１１−２（ｋ）の状態から露光していないレジスト膜１１０４ａを除去した図であり、角穴２０４、穴部２０５、先端面２１０が形成される。

図１１ｍに示すように研磨面１１０１の残った部分が先端面２１０となっており、先端面２１０は平坦性が高いため摩擦係数を小さくできる。つまり、ＭＥＭＳによる製造工程には研磨工程があり、この工程で研磨された面を回転部材１０１における先端面２１０の接触面として用いることで、改めて接触面を研磨する工程を省略できるのである。
図１１−３（ｎ）は、図１１−３（ｍ）の状態から帯電膜１０３を塗布した図であり、印刷手段などで帯電材料を塗布した後、焼成を行なって帯電膜１０３が形成され、帯電材料の塗布量、希釈量を制御することによって帯電膜１０３の厚さを正確に制御することが可能となる。また、対向基板１０２も回転部材１０１と同様にＭＥＭＳ技術を用いて形成しても良く、基材を研磨した研磨面に対向電極１０４を形成することにより、接触面２０７を平坦にすることが可能となる。

以上の工程で本発明の回転部材１０１は形成され、回転部材１０１の帯電膜１０３の位置精度を高精度にでき、先端面２１０が研磨面であるため、回転部材１０１が回動するときの摩擦係数を低減することが可能である。よって、帯電膜１０３と対向電極１０４が接触することなく、帯電膜−対向電極間ギャップｇを１００μ以下に近づけることが可能となり、大きな発電量を安定して得られると共に、軸１０５の傾きを抑制するとともに回転部材１０１の上下調整が殆ど不要になるため、この調整作業に伴うコストを低減することが可能になる。

次に本発明の第１実施形態の第１変形例について説明を行なう。
図３（ａ）は本発明の第１実施形態の第１変形例における回転部材３０１の断面図であり、帯電膜３０２が回転部材３０１に埋め込まれた構造となっている。回転部材３０１の製造方法は、図１１−１、図１１−２、図１１−３で示したＭＥＭＳ技術を用い、帯電膜３０２用の溝を設け、帯電材料を塗布した後、焼成を行なっても良いし、図１１−３（ｍ）の状態から半導体プロセスを用いて酸化シリコン膜、窒化シリコン膜による保護膜１０３を形成しても良い。

上記の構成によって、帯電膜３０２の大気側の表面位置が、周囲の対向面の高さと同一になるため、帯電膜３０２と対向電極１０４のギャップｇは、帯電膜３０２の厚さによる誤差影響を受けなくなる。また、図３（ａ）では凸部２０１の側部３０４は、先端面２１０に対して直角に形成されているが、図３（ｂ）の回転部材３００の側部３０３のように傾斜させることで、先端面２１０の面積を少なくして接触面２０７との接触抵抗を低減できると共に、対向電極１０４の面積を増やすことができるため、発電量を増やすことが可能となる。

上記では、回転部材３０１の凸部２０１の先端２１０が、対向基板１０４の接触面２０７に接触する例を説明したが、対向基板１０４にも凸部２１００（不図示）を設け、その先端２１０１と凸部２０１の先端２１０とを接触させて、対向基板１０４で回転部材３０１を支えるようにしても良い。これにより、対向基板１０４において凸部２１００のみを、硬質で表面の平坦性が高いＭＥＭＳなどで作成し、軟質で表面の平坦性に乏しい材料で構成される対向基板１０４に固着することで、基板全体をＭＥＭＳで構成せずとも接触面の摩擦抵抗を低減することができるため、製造コストを下げることが可能になる。

また、回転部材３０１が回転を繰り返すことで、回転部材３０１と対向基板１０４との接触面は磨耗し、面方向の平坦度が不均一になることがあり、特に対向基板１０４の表面に接触面を設けていると接触面が窪んでしまうため、復旧が難しく対向基板１０４の交換が必要となる。これに対して、回転部材３０１のみならず対向基板１０４にも凸部２１００を設けて、回転部材３００と対向基板１０４の凸部同士を接触させることで、磨耗が起きた時は接触面を再研磨して面方向の平坦度を均一にすることが容易である。

次に本発明の第１実施形態の第２変形例について説明を行なう。
図３（ｃ）は本発明の第１実施形態の第２変形例における対向基板３０６の断面図であり、対向電極３０５が対向基板３０６に埋め込まれた構造となっている。
対向基板の製造方法は図１１−１、図１１−２、図１１−３で示したＭＥＭＳ技術を用い、対向電極３０５の溝を設け、その溝にアルミなどの金属を蒸着して電極を形成しても良い。基材がシリコンなどの半導体である場合は半導体プロセスを用いて不純物などを注入し、対向電極３０５の導電率を上げることで配線抵抗を小さくすることができ、発電電力の損失を少なくできる。

なお、対向基板３０６の上面には対向電極３０５の保護膜として酸化シリコン膜、窒化
シリコン膜などの絶縁膜３０７を形成して、この絶縁膜３０７が回転部材１０１の先端面２１０と接触しても良い。絶縁膜３０４は、対向電極３０５で発電した電荷が、回転部材３０１や帯電膜３０２などと接触して消失するのを防止すると共に、硬質膜であるため先端面２１０との接触抵抗を少なくすることができる利点がある。また、図３（ａ）〜（ｃ）のごとく、帯電膜３０２を回転部材３００に、そして対向電極３０５を対向基板３０６に埋め込むことにより、帯電膜３０２と対向電極３０５との対向している面の高さが、周囲の対向面の高さと同一になるため、対向電極３０５と帯電膜３０２のギャップｇは、帯電膜３０２と対向電極３０５の厚さに左右されなくなり、ギャップｇのバラツキを低減できる。

次に本発明の第１実施形態の第３変形例について説明する。
図４−１（ａ）は本発明の第１実施形態の第３変形例における発電装置１００の断面図であり、図４−１（ｂ）は図４−１（ａ）における先端面４０２の平面図であり、図４−１（ｃ）は図４−１（ａ）の破線Ｂに対応する対向基板４０５の接触面４０７を示した平面図である。

先端面４０２は第１実施形態とは異なり、角穴２０４の外周に接触面４１０ａを設け、その外周に溝４０４、接触面４１０ｂ、溝４０３、接触面４１０ｃの順で設けられていて、対向基板４０５には丸穴２０６の外周に接触面４０７−１、４０７−２と凹状の溝部４０６が形成されている。

前述したように実施形態１において回転部材１０１は、その先端面２１０が対向基板１０４の接触面２０７に押し当てられながら回転するため、接触抵抗によって回転力を損失してしまう。このため、対向基板４０５の軸穴である丸穴２０６の周囲に略円形状で小面積の接触面４０７−１、４０７−２を設け、この部分に回転部材４０１の先端面４０２を接触させ、回転部材４０１を支える。従って、先端面４０２の角穴２０４周囲にも、接触面４０７−１、４０７−２に対面する接触面４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃを設ける。接触面４０７−１に対して接触面４１０ａが当接するが、回転部材４０１の回転に伴い回転中心位置も移動する可能性があるため、接触面４１０ａの外円周長さよりも１〜２割長くなるように接触面４０７−１を設けると良い。

対向基板４０５には、接触面４０７−１の外周４箇所に、径方向に延びた接触面４０７−２が設けられており、先端面４０２に設けられた接触面リング形状の４１０ｂ、４１０ｃと、接触面４０７−２とは直交箇所で接触する。先端面４０２の接触面４１０ａより外周の接触面は、回転部材４０１の回転ブレにより軸１０５が傾かないように支える役割が大きいが、前述したように回転部材４０１はＭＥＭＳで構成され軽量のため、回転ブレによる軸１０５の傾斜量は大きくない。従って、先端面４０２の外周部位全面で回転部材４０１を支える必要は無く、前述のようにリング形状の接触面４１０ｂ、４１０ｃと接触面４０７−２が直交し接触する箇所のみで、軸１０５の傾斜を抑制することが可能である。更に、上記の直交箇所以外では接触抵抗が生じないため、回転部材４０１の回転力損失を最小限に抑えることが可能となる。なお、図４−１（ｃ）では接触面４０７−２を４箇所設けたが、回転部材４０１の質量等の諸条件によって、設置数を増減してもかまわない。

接触面４０７−１と４０７−２は境界で分離せず連続した方が作成は容易であるが、接触抵抗を低減するため境界に溝部を設けて分離してもかまわない。図４−１（ｂ）では、接触面４１０ａと４１０ｂとの間と、接触面４１０ｂと４１０ｃとの間に、溝を２箇所（溝４０３、４０４）に設けたが、先端面４０２の大きさと回転部材４０１の質量に応じて溝の数を増減し、接触抵抗の調整を行っても良い。

本第３変形例では回転部材４０１、対向基板４０５の双方を変形し実施する例を示した
が、回転部材４０１若しくは対向基板４０５のみの変形を実施しても、接触抵抗低減の効果を得ることは可能である。また、図４−２に示すように、回転部材４０１の先端面４０２の接触面４１０ｂの数箇所に溝４０８を設けて、さらに接触面積を減らしても良い。

次に本発明の第１実施形態の第４変形例について説明を行なう。
図５−１（ａ）は本発明の第１実施形態の第４変形例を示す発電装置１００の断面図であり、図１に示した第１実施形態の回転部材１０１と異なり、凸部２０１の代わりに対向基板５０１に凸部２０１−２を設けて、その先端面２０７−２と回転部材５０２の接触面２０７−２とを接触させることにより回転部材５０２を支えている。

上記の構成にすることによって図１の第１実施形態と同様の理由で、帯電膜３０２と対向電極１０４のギャップｇは、帯電膜３０２の厚さによる誤差影響を受けなくなるため、帯電膜１０３と対向電極１０４が接触することなく、帯電膜−対向電極間ギャップｇを１００μ以下に近づけることが可能となり、発電量を大幅に向上することが出来る。

次に本発明の第１実施形態の第５変形例について説明を行なう。
図５−１（ｂ）は本発明の第１実施形態の第５変形例を示す詳細断面図であり、第５変形例の回転部材５０５は図５−１（ａ）の回転部材１０１と異なり、外周部に動力伝達車１１０の動力を受ける歯型５０４が形成されており、第１実施形態のカナ１０６を介さず、動力が伝達される。上記の構成にすることによって第５変形例ではカナ１０６が不要となり、発電装置５０６の厚さを薄くすることが出来る。

次に本発明の第１実施形態の第６変形例について説明を行なう。
図５−２は、本発明の第１実施形態の第６変形例を示す発電装置１００の断面図であり、第６変形例の回転部材５０７は図１に示した第１実施形態の回転部材１０１と異なり、対向基板１０２と接触する凸部２０１に代わる凸部５０８が回転部材５０１の外周部に配置され、対向基板５０９の接触面５１０と接触して、回転部材５０７を支えている。
上記の構成にすることによって、接触面５１０と凸部５０８が軸１０５から離れた位置で接触するため、回転部材５０７の回転に伴う軸１０５の傾きに対して規制力が強くなり、帯電膜１０３と対向電極１０４の平行度の精度を上げることが出来る。

次に本発明の第１実施形態の第７変形例について説明を行なう。
図１２は、本発明の第１実施形態の第７変形例を示す発電装置１００の断面図であり、回転部材１２０３に回転軸を設けず、対向基板５０１の側に回転部材１２０３の回転中心を支持する軸を設けたことが特徴である。

回転部材１２０３は、図５−１（ｂ）に示す第５変形例と同様に、回転部材１２０３の外周部に動力伝達車１１０の動力がカナを介さずに直接伝達されると共に、支持板１０９に埋設された磁石１２０１と回転部材１２０３に接合された磁石１２０２の反力によって回転部材１２０３が対向基板１２０４方向に押圧されるため、回転部材１２０３の先端部１２０８が接触面１２０７に押し当てられる。回転部材１２０３は中心部が凹形状となった凹部１２０６を有しており、地板１１２に圧入された軸１２０５を凹部１２０６に係合させることで平面方向の規制を行なっている。

従って、帯電膜１０３と対向電極間１０４とのギャップｇの精度は、回転部材１２０３の帯電膜１０３と先端面１２０８との位置精度で決まり、対抗基板５０１の加工精度に左右されること無く、回転部材１２０３の凹部１２０６の加工精度のみで決定される。
上記の構成にすることによって、変形例５で示した回転部材１２０３の軸１０５で発生する摩擦負荷がなくなり、先端部１２０８と接触面１２０７との接触摩擦のみとなるため、発電機の発電効率が向上する。なお、本変形例７では磁石１２０１と磁石１２０２の反力
によって回転部材１２０３が押圧されていたが、磁力ではなく磁石１２０１、１２０２の代わりに帯電膜を塗布し、同極性に帯電することで反力を発生し、回転部材１２０３を押圧しても良く、発電部の厚みを薄くすることが可能である。

次に本発明の第１実施形態の第８変形例について説明を行なう。
図１３（ａ）の第１実施形態の第８形例を示す発電装置１００の断面図であり、図１２とは、対向基板５０１と支持板１０９の回転部材１２０３の回転中心の移動を規制する形態が異なり、その他は同じである。

図１３（ｂ）は図１３（ａ）中の凸部１３０２周辺を拡大した断面図であり、図１３（ｃ）は図１３（ａ）中における破線Ｄの断面を示した平面図である。回転部材１３０１には、第７変形例の凹部１２０６に替わり凸部１３０２が設けられており、その先端を対向基板５０１に接触させる。更に、地板１１２と対向基板５０１を貫通して圧入された複数の側軸１３０３が、凸部１３０２を中心にして取り囲むように配置されている。これにより、回転部材１３０１が回転時に平面方向へ移動する事を規制する。

一方、支持板１０９には突起部１３１１が形成され、その先端が回転部材１３０１の回転中心に接触する。突起部１３１１は、支持板１０９に設けたバネ１３１０によって押され、帯電膜１０３と対向電極１０４とが近づく方向に回転部材１３０１押し下げ、回転部材１３０１と対向基板５０１とを接触させる。従って、回転部材１３０１の回転中心が平面方向に移動することを規制可能になる。軸１３０３の数と太さは、側凸部１３０２の円周の長さと回転部材１３０１に対する平面方向の規制量とによって、適宜選択して良い。上記の構成にすることによって、先端部１３０８と接触面１３０７の接触面積を少なく出来るため、回転部材１３０１の摩擦負荷が変形例７よりも軽減し、発電機の発電効率が向上する。

次に本発明の第２実施形態について説明を行なう。
図６は本発明の第２実施形態を示す発電装置６００の詳細断面図であり、図１に示す第１実施形態では対向基板の一面のみで発電を行なっていたが、第２実施形態では対向基板の上下面の双方で発電を行っている点で異なる。

６００は発電装置であり、６０１ａ、６０１ｂは軸１０５から伝達された動力によって回転する回転部材であり、６０２ａは回転部材６０１ａに塗布された帯電膜であり、６０２ｂは回転部材６０１ｂに塗布された帯電膜であり、６０４ａは対向基板６０６の上面に設けられ、帯電膜６０２ａの静電誘導によって電力を発生する対向電極、６０４ｂは対向基板の下面に設けられ帯電膜６０２ｂの静電誘導によって電力を発生する対向電極である。

６０３ａは、対向基板６０６と支持板１０９を支持し、回転部材６０１ａ、カナ１０６、軸１０５を収用する中受けであり、６０３ｂは地板１１２と対向基板６０６を支持し、回転部材６０１ｂ、軸１０５を収用する中受けである。また、バネ１０７が軸１０５を介して回転部材６０１ａを軸下端部２１２方向へ押圧することにより、回転部材６０１ａは対向基板６０６と接触面６０７ａにおいて接触し、回転部材６０１ｂはバネ１０７と同様の特性を持つバネ６０５によって軸上端部２１１方向へ押圧され、対向基板６０６と接触面６０７ｂにおいて接触している。

次に第２実施形態の構成部材について説明を行なう。
図７−１、図７−２は本発明の第２実施形態における回転部材６０１ａ、６０１ｂを示した図であり、回転部材６０１ｂと帯電膜６０２ｂと接触面６０７ｂと対向電極６０４ｂ、６０４ｂａ、６０４ｂｂとは、回転部材６０１ａと帯電膜６０２ａと接触面６０７ａと対
向電極６０４ａ、６０４ａａ、６０４ａｂと同形状であるため、説明は省略する。図７−１（ａ）は回転部材６０１ａの上面図、図７−１（ｂ）は回転部材６０１ａの下面図、図７−１（ｃ）は回転部材６０１ａの斜視図である。

回転部材６０１ａは中心に軸１０５を貫通させる角穴２０４を有し、角穴２０４は軸１０５から動力を受けるために四角形状をしている。回転部材６０１ａは対向基板６０６と接触する接触面６０７ａと帯電膜６０２ａを収納するための溝を有し、溝の深さは帯電膜６０２ａが十分に帯電できる厚さである１μｍ〜３０μｍが望ましい。また、溝に形成する帯電膜６０２ａは、接触面６０７ａよりも上面側に突出しないようにすることによって、対向電極６０６ａが帯電膜６０２ａに擦れることなく接触面６０７ａと接触できるようになっている。

図７−２は対向基板６０６の上面図である。第２実施形態において対向基板６０６の上面は図７−２のように対向基板６０６の上面に２つの対向電極６０４ａ（対向電極６０６ａａ、対向電極６０６ａｂ）を丸穴部２０６の外周に等間隔で設け、交互に配線３０１と配線３０２へ接続し、発電した電力を整流回路３０３に入力している。以下、配線３０１に接続されている電極を対向電極６０６ａａとして、配線３０２に接続されている電極を対向電極６０６ａｂとして説明する。

回転部材６０１ａの帯電膜６０２ａと対向する位置に対向電極６０４ａ（対向電極６０６ａａ、対向電極６０６ａｂ）が配置される。対向基板６０６の下面においても、上面と同じ様態の対向電極６０４ｂ（対向電極６０６ｂａ、対向電極６０６ｂｂ）が、帯電膜６０２ｂと対向する位置に設置され、同様の配線が施されている。軸１０５が回転することによって回転部材６０１ａ、回転部材６０１ｂが同期して回動し、対向電極６０４ａａと対向電極６０４ａｂ、対向電極６０４ｂａと対向電極６０４ｂｂ間に電力が発生する。

なお、本発明の第２実施形態においては複数配置された対向電極に対して交互に配線３０１、３０２に接続し発電電流を取り出す発電形態としたが、本発明はこの発電形態に限定されず、特許文献１のように対向基板に複数設けられた対向電極を全て配線３０１に接続し、回転部材における軸等の導電部材に配線３０２を接続して発電電流を取り出す発電形態としても良い。

図７−３は図６の破線Ｃに沿ったＣ−Ｃ断面図であり、対向電極６０４ａａ、対向電極６０４ｂａは配線３０１、対向電極６０４ａｂ、対向電極６０４ｂｂは配線３０２によって接続され、配線３０１、配線３０２は整流回路３０３に接続されている。
また、対向電極６０４ａ、６０４ｂは対向基板に埋設されて配置され、対向基板６０６の上下面には対向電極６０４ａ、６０４ｂを保護し、対向基板６０６の表面の平坦性を高め、回転部材６０１ａ、６０１ｂとの摩擦抵抗を少なくする絶縁膜７０１ａ、７０１ｂを設けている。

対向電極６０４ａ、６０４ｂに発生する電位が同期して発電するように、対向電極６０４ａａに対する対向電極６０４ｂａが、そして対向電極６０４ａｂに対する対向電極６０４ｂｂが、対向基板６０６の上下面対象に配置している。対向電極６０４ａａと対向電極６０４ａｂ、そして対向電極６０４ｂａと対向電極６０４ｂｂとのそれぞれの配置間隔と、回転部材６０１ａ、６０１ｂの帯電膜６０２ａ、６０２ｂの配置間隔が、丸穴部２０６の中心を基準に同一角度の間隔で設けると発電効率が最も良くなる。

回転部材６０１ａ、６０１ｂの接触面６０７ａ，６０７ｂ、対向基板６０６の絶縁膜７０１ａ、７０１ｂは面粗さが小さくなっているため、相互の接触による摩擦抵抗は小さく、回転部材６０１ａ、６０１ｂが回動するための機械的負荷は小さい。
また、帯電膜６０２ａ、６０２ｂと対向電極６０４ａ、６０４ｂとの間には、空隙７０２ａ、７０２ｂと絶縁膜７０１ａ、７０１ｂが存在し、帯電膜と対向電極間のギャップｇは空隙７０２ａ、７０２ｂの厚さと絶縁膜７０１ａ、７０１ｂの厚さとによって決定される。空隙７０２ａ、７０２ｂの厚さは、回転部材６０１ａ、６０１ｂに設けられた帯電膜６０２ａ、ｂを収容するための溝の深さと帯電膜６０２ａ、６０２ｂの厚さとに依存する。

帯電膜６０２ａ、ｂを収納するための溝は、第１実施形態の回転部材１０１の加工に用いたＭＥＭＳ技術を用いることにより高精度な加工が出来、帯電膜６０２ａ、６０２ｂの厚さは帯電材料の希釈量を制御し、帯電材が回転部材６０１ａ、６０１ｂの接触面６０７ａ，６０７ｂと同一の高さに成るようにスキージなどで塗布量を制御し、焼成すればその過程で帯電材が縮小するため、帯電膜６０２ａ、６０２ｂの厚さは接触面６０７ａ，６０７ｂよりも低くなり、空隙７０２ａ、７０２ｂの厚さを高精度に制御することが出来る。

絶縁膜７０１ａ、７０１ｂは、半導体プロセスを用いて酸化シリコン膜、窒化シリコン膜を形成することによって、研磨をしなくても面粗さを小さくすることができ、１μｍ以下の膜厚を精度良く制御可能である。
次に第２実施形態の発電装置６００の動作について説明を行なう。
発電装置６００は回転錘などの外部から伝達された動力を動力伝達車１１０からカナ１０６、軸１０５を介して回転部材６０１ａ、６０１ｂに伝達される。

回転部材６０１ａ、６０１ｂが回転すると、帯電膜６０２ａ、６０２ｂと対向電極６０４ａ、６０４ｂ間との重なり面積が増減し、対向電極６０４ａ、６０４ｂに引き寄せられる正電荷が増減して、配線Ａ３０１、配線Ｂ３０２により交流電力を取り出し、整流回路３０３に入力し直流変換して、蓄電手段で蓄電し計時回路を動作させる。

整流回路３０３は、ブリッジ式であり、４個のダイオードを備え、入力側には、配線３０１、配線３０２が接続されている。出力側には平滑回路を介して図示しない電源回路が接続されており、前記直流変換された発電電力を図示しない蓄電池に蓄電し、電子機器に電力を供給する。

以上のように、第２実施形態では対向基板６０６の上下面に回転部材６０１ａ、６０１ｂを配置して両面で発電することによって、第１実施形態よりも発電量を増加させることができる。また、帯電膜と対向電極が接触することなく、帯電膜と対向電極間のギャップｇを１００μ以下にまで近づけることが可能となり、大きな発電量を安定して得られると共に、軸１０５の傾きと上下調整が殆ど不要になるため、この調整作業に伴うコストを低減することが可能になる。

本発明において、相対移動として、並進運動、回転運動、往復並進振動、回転振動などが含まれる。ここでいう振動とは、規則的な振動のみならず、環境に広く存在するエネルギー源から電力を取り出す場合の不規則的な振動を含むものとして定義される。また、回転運動とは、一方向回転のみならず、回転振動、揺動運動を含めて使用される。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
また、本発明は発電装置に限定されるものではなく、静電誘導型電動機にも適応が可能である。

１００ 発電装置
１０１ 回転部材
１０２ 対向基板
１０３ 帯電膜
１０４ 対向電極
１０５ 軸
１０６ カナ
１０７ バネ
１０８ 蓋部
１０９ 支持板
１１０ 動力伝達歯車
１１１ 中受け
１１２ 地板
１１３ 軸穴
１１４ 軸穴
１１５ バネ穴

Claims (20)

1. 対向基板 と、
   前記対向基板に対して回動する回転部材と、
   前記対向基板が前記回転部材に対向する対向面と前記回転部材が前記対向基板に対向する対向面のうちの一方に形成された帯電膜 と、
   他方に形成された対向電極 を有し、
   前記回転部材は、前記対向基板と接触する接触面を有する
   ことを特徴とする発電装置。
2. 前記回転部材と前記対向基板のうちの一方に凸部を備え、
   前記接触面は、
   前記凸部の先端が
   前記回転部材又は前記対向基板に当接する位置に備えられ、
   前記対向基板は、前記回転部材を支える
   ことを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記回転部材を前記対向基板と反対側で支持する支持板を備え、
   前記 支持板に前記回転部材を押し付ける部材 を有し、
   前記凸部と
   前記回転部材又は前記基板を接触させること
   を特徴とする請求項１又は２に記載の発電装置。
4. 前記支持板は、軸穴を備え、
   前記対向基板を支持するための軸穴を有する地板を備え、
   前記回転部材が回転中心に軸部を有し、
   前記軸部の一方の端部と他方の端部がそれぞれ前記軸穴により保持されること
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに一つ記載の発電装置。
5. 前記軸部が別体で構成され、
   前記回転部材における前記軸部と係合する係合部の穴形状は、
   円周の一部又は複数部位が穴の中心に対して異なる距離となること
   を特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の発電装置。
6. 前記凸部は、
   前記回転部材又は前記対向基板の前記軸穴の周囲にあること
   を特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の発電装置。
7. 前記接触面において、
   前記回転部材と前記対向基板のうちの一方又は両方
   に接触抵抗を低減する溝を備えたこと
   を特徴とする請求項６に記載の発電装置。
8. 前記 接触面 は、
   前記凸部の先端の面の外周側と、
   前記先端の面が当接する
   前記回転部材又は前記対向基板の面の外周側にそれぞれ設けられ
   、
   一方の前記外周側における接触面が径方向に伸び、
   他方の前記外周側における接触面がリング形状であること
   を特徴とする請求項７に記載の発電装置。
9. 前記凸部は、
   前記回転部材又は前記対向基板の前記軸穴を中心とする円周部にあること
   を特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の発電装置。
10. 前記回転部材と前記対向基板にそれぞれ前記凸部を備えること
    を特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の発電装置。
11. 前記回転部材の凸部と前記対向基板の凸部の少なくとも一方は、
    前記回転部材又は前記対向基板とは別体で設けられ、
    前記回転部材又は前記対向基板に固着されていること
    を特徴とする請求項１０に記載の発電装置。
12. 前記対向基板又は地板に設けられた軸は、前記回転部材の回転中心に設けられた凹部と係合し、
    前記回転中心の位置ずれを規制すること
    を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の発電装置。
13. 前記回転部材の回転中心に設けられた凸部と、
    前記凸部が前記対向基板に当接する部位の周囲に設けられた複数の側軸と
    を備え、
    前記回転中心の位置ずれを規制すること
    を特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の発電装置。
14. 前記接触面は、
    非接触面に比べて摩擦係数が小さくなるように構成されていること
    を特徴とする請求項１から１１ のいずれか一つに記載の発電装置。
15. 前記接触面は、
    非接触面に比べて摩擦係数が小さくなる部品を組み込んだこと
    を特徴とする請求項１から１１ のいずれか一つに記載の発電装置。
16. 前記対向基板と前記回転部材は、
    絶縁膜を介して互いに対向する全面で接触すること
    を特徴とする請求項１に記載の発電装置。
17. 前記帯電膜は、前記回転部材に 埋設され、
    前記対向電極は、前記対向基板に 埋設され、
    前記帯電膜と前記対向電極のうちの一方又は両方における
    表面の一部又は全部に絶縁膜を設け、
    前記絶縁膜を介して前記帯電膜と前記対向電極とを接触させること
    を特徴とする請求項１２に記載の発電装置。
18. 前記対向電極と前記帯電膜のうちの一方が
    前記対向基板の両面に埋設され、
    他方が前記対向基板の両面に対向する２つの前記回転部材にそれぞれ埋設されたこと
    を特徴とする請求項１２又は１３に記載の発電装置。
19. 前記回転部材と前記対向基板のうちの一方又は両方
    をＭＥＭＳ技術で製造したこと
    を特徴とする請求項１から１８のいずれか一つに記載の発電装置。
20. 前記ＭＥＭＳ技術を用いた製造において、前記接触面を研磨すること
    を特徴とする請求項１９に記載の発電装置。

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