JP2017028910A - 静電誘導型発電器 - Google Patents

Abstract

【課題】第２基板が回転するときの空気抵抗を大きく減少させる静電誘導型発電器を提供する。
【解決手段】ハウジングと、ハウジングに固定された第１基板と、ハウジングに回転自在に軸支された軸を有する第２基板と、帯電膜と、対向電極と、帯電膜及び対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、帯電膜を第１対向面に対向する第２基板の第２対向面に設置し、第２基板の第２対向面には、所定角度毎に、帯電膜と、帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、間隔部の外周部には空気の通り抜け部が設けられている静電誘導型発電器。
【選択図】図４

Description

本発明は、静電誘導を利用した発電装置、発電器、携帯型電気機器、携帯型時計等に関する。本発明の発電器のエネルギ源としては、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を利用することができる。特に、回転部材の空気抵抗を減らして発電効率を上げた発電器に関する。

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１〜４などに開示されている。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装置とは、「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。

図１は、静電誘導現象を利用した発電の原理を模式的に説明する説明図である。図１では、対向電極側を移動させているが、帯電膜側を移動させても良い。

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帯電膜の一種である。このエレクトレットによる発電では、図１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（振動等）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。

図１６は、従来技術の回転部材を示す斜視図である。図１７は、従来技術の回転部材の空気抵抗（風切抵抗）を説明する説明図である。

特許文献１には、エレクトレット膜と電極の往復周期回動を行う静電誘導を利用した発電装置が開示されている。この装置において、回転錘又は回転部材の軸は、軸とケーシングと間にヒゲゼンマイ（時計用語、渦巻きバネ）を介して支持し、往復周期回動を行う。
特許文献２には、機械式自動巻き腕時計に用いられるような回転錘の回転を、歯車機構を介して増速伝動させて、エレクトレット膜と電極の相対的な回転を行う静電誘導を利用した発電装置が開示されている。これらの従来技術では、回転部材を軽量化して発電効率を上げることができない。特許文献３には、高分子体やセラミックスをエレクトレット化した肉厚体の回転子で発電をするものが開示されているが、複数電極の形成は難しく発電効率が悪いものであった。

特許文献４には、帯電膜と対向電極の往復周期回動を行う発電装置が開示されている。特許文献４の回転部材は軸に対してヒゲゼンマイを介して支持され、往復周期回動を行う。このような従来技術においては、図１６に示すように、回転部材４には、穴４０が設けられており、穴４０と穴４０との間の放射状の回転部材４の裏面に帯電膜３が設けられている。回転部材４において、帯電膜３が塗布されている部分は、回転部材４の基材自体を残し、帯電膜３が塗布されていない部分は、基材の軽量化のために穴４０にみられるように中抜きにしている。穴４０の外周部材４５’は、放射状の回転部材同士の連結部分となっている。この従来技術では、穴４０の設置により回転部材４を軽量化することができる。しかしながら、図１７に示すように、中抜きにした構造では、回転部材の回転動作時に発生する空気が、外周部材４５’から抜けず、高い回転数では大きな抵抗となって発電効率を低下させていた。

特開２０１３−０５９１４９号公報 特開２０１１−０７２０７０号公報 特開平０２−２１９４７８号公報 特開２０１３−１３５５４４号公報

本発明は、静電誘導型発電器において、回転部材の外周部に空気抜け部を設けて空気が側方に抜けるような構造にして、回転部材が移動するときの空気抵抗を大きく減少させるとともに、基材の軽量化を図り発電効率を上げることを課題とする。

本発明は、ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記ハウジングに回転自在に軸支された軸を有する第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び前記対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、前記帯電膜を前記第１対向面に対向する第２基板の第２対向面に設置し、第２基板の第２対向面には、所定角度毎に、前記帯電膜と、前記帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、前記間隔部の外周部には空気の通り抜け部が設けられている静電誘導型発電器である。

静電誘導型発電器において、第２基板（以下、回転部材ともいう）の外周部に空気抜け部を設けて空気が側方に抜けるような構造にしたので、第２基板が回転するときに、空気の残留をなくし空気抵抗を大きく減少させることができる。これにより、回転部材の回転数が上がっても発電効率が減少しない。また、第２基板の基材の軽量化を図り、発電効率を上げることができる。

静電誘導現象を利用した発電の原理を模式的に説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のＸ−Ｘ線（図３）に関する模式的断面図である。 本発明の第１実施形態の内部構造を示す概要である。 本発明の第１実施形態の回転部材（第２基板）、帯電膜、対向電極、対向基板（第１基板）の概要を示す説明図である。 （ａ）は、図１６の従来技術の全負荷トルクの内訳を示したグラフである。（ｂ）は、本発明の第１実施形態の回転部材の風切抵抗を、従来技術の風切抵抗Ｄに対する割合で示したグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１実施形態の対向電極と帯電膜の発電を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。 本発明の第１実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。 本発明の第２実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。 本発明の第３実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。 （ａ）〜（ｆ）は、回転部材の断面図である。 回転錘の正逆回転の一方回転のみを回転部材に伝動する機構（本発明において「ワンウェイクラッチ」と称する）の一例である。（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は側面図である。 本発明の第４実施形態の回転部材を示す斜視図である。 本発明の第５実施形態の回転部材を示す斜視図である。 本発明の第６実施形態の回転部材を示す斜視図である。 従来技術の回転部材を示す斜視図である。 （ａ）は、従来技術の風切抵抗を説明する説明図である。（ｂ）は、回転部材の回転時に、空気による摩擦抗力と風切抵抗を説明する説明図である。

以下、各図面を参照して、本発明の一実施形態を説明する。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。以下の各実施形態では、一例として腕時計で説明するが、必ずしも腕時計に限定されるものではない。携帯用の静電誘導発電器付き電子電気機器などにも適用可能である。

（第１実施形態）
図２は、本発明の第１実施形態のＸ−Ｘ線（図３）に関する模式的断面図である。図３は、本発明の第１実施形態の内部構造を示す概要である。図４は、本発明の第１実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。図５（ｂ）は、本発明の第１実施形態の回転部材の風切抵抗を、図５（ａ）の従来技術の風切抵抗Ｄに対する割合で示したグラフである。図６は、本発明の第１実施形態の対向電極と帯電膜の発電を説明する説明図である。図７は、本発明の第１実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。

以下、第１実施形態を、各図面を参照して説明する。第１実施形態は、腕時計などの携帯用電子時計に適用した場合である。
携帯用電子時計は、図２に示すように、風防２４を含む外装ケーシング４１、４２（裏蓋４２）と、文字板２５と、ハウジング３３、３４と、このハウジング内に配置されたクオーツムーブメントと、ハウジング内に配置された静電誘導発電器とを有している。風防２４は、パッキン４３を介して外装ケーシング４１に嵌めこまれている。風防２４は、透明材料で形成されている。

ハウジングは、以下において腕時計の場合によくつかわれる呼称、すなわち、地板３３、受け板３４として説明する。地板３３は、ハウジングの一種であって、様々なパーツを組み込む土台、支持板、内装ケーシングなどを意味している。また、受け板とは、回転体の軸を支えたり、部品を固定・保持する役割を果たす場合に良くつかわれる用語である。

クオーツムーブメントは、ここでは、水晶振動子２８と、回路基板５と、コイル２６及びモータ用のロータ・ステータを備えたステップモータと、運針用歯車と、２次電池２２などを含むものとして定義される。回路基板５には、発振回路、分周回路、ステップモータの駆動回路、整流回路、電源回路などが組み込まれている。歯車駆動部２１には、クオーツムーブメントの一部である、コイル２６、ステップモータ、運針用歯車などが含まれている。図２にみられるように、歯車駆動部２１からは、指針軸が、文字板２５の上方に突き出て時針、分針、秒針（秒針図示せず）などの指針２３が取り付けられている。指針２３は、時針、分針しか表示していないが、時針、分針の他に秒針を備えていても良い。図３は、クオーツムーブメントと静電誘導発電器などの時計内部構造の概要を示しており、図３のＺ部分は、地板やクオーツムーブメントの一部が適宜レイアウトされた概略領域である。２７はりゅうずを示している。Ｚ部分には、クオーツムーブメントのうち歯車駆動部２１や回路基板５などが配置されるが、そのレイアウトは適宜設計的に定めればよい。

次に、図２を参照して静電誘導発電器の全体構成について述べる。
回転軸８には回転部材４が固定されており、回転部材４の下面（第２対向面）には帯電膜３が配置されている。回転部材４は第２基板ともいう。一方、帯電膜３に対向するように、上部表面（第１対向面）に対向電極２が配置された対向基板１が、受け板３４に設置固定されている。対向基板１を第１基板ともいう。回転部材４は、地板３３と受け板３４間で軸支され、文字板２５、地板３３、回転部材４、対向基板１、受け板３４の順序で配置されているが、これに限定されるものではなく、文字板２５、地板３３、対向基板１、回転部材４、受け板３４の順序で配置されていても良い。後述の他の実施形態においても同様である。

図２において、クオーツムーブメントの回路基板５も、対向基板と同様に受け板３４に設置固定されている。ここでは、対向基板１と帯電膜３とのギャップを精密に管理するため、対向基板１と回路基板５を別体で作製しているが、同様の位置精度が満たされるなら回路基板５と対向基板１を同一の基板に形成することも可能である。回路基板５と対向基板１とが別基板の場合は接続コネクタ、導通バネ、接続端子などで導通を行う。これらは、後述の実施形態においても同様である。

回転錘１０は腕の動きなどを捉えて回転する。回転部材４が回転すると、静電誘導発電が引き起こされ、帯電膜３と対向電極２間で発生した電力を、クオーツムーブメント（回路基板５）に出力する。本実施形態では、回転錘１０の伝動に歯車伝動機構を介しているので、上部から下部に向かって、文字板２５、地板３３、歯車１４、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１、受け板３４の順序で配置されているが、これに限定されない。

対向基板１には、図４に示すように、第１電極Ａと第２電極ＮＡが交互に配置されている。全ての第１電極Ａ、全ての第２電極ＮＡはそれぞれ連結されて、１相の交流を形成して、整流回路２０に入力される。第１電極Ａ電極列と第２電極ＮＡの電極列の両者合わせて、対向電極２と総称する。

回転部材４の下面の帯電膜３は、図４に示すように、それぞれ、放射状に形成され、放射状の帯電膜３の一片と一片との間隔部は、外周縁から内周側に向けてＶ字形切欠き（V-shaped cutout）６が形成されている。放射状の帯電膜３の一片を、以下「翼」ともいう。回転軸８は、上側は地板３３の軸受５０、下側は受け板３４に設けた軸受５０（軸受５０は、耐震装置、一例としてパラショックなどであっても良い）で軸支されている。回転部材４の切欠きの形状は、必ずしもＶ字形に限定されるものではなく、その他の形状であっても良い。本実施形態では、回転部材４の外周が、空気の通り抜け部として機能するように、切り抜かれて開放されていれば任意の形状であって良い。

本実施形態では、放射状の帯電膜３の一片（翼）と一片（翼）との間隔部は、外周縁から内周側に向けて切欠き６が形成されており、図１６の従来技術の外周部材４５’がなくなっている。従来技術の例で説明すると、図１７（ｂ）は、回転部材４が回転したときの、空気による摩擦抗力と風切抵抗を示している。摩擦抗力は粘性抵抗とも呼ばれ、回転部材４の移動方向と平行方向に回転部材４の表面に沿い発生する抗力であり、図１７（ｂ）に矢印Ｑとして示している。また、風切抵抗は圧力抗力とも呼ばれ、回転部材４の移動方向と垂直方向に回転部材４の表面に沿い発生する抗力であり、図１７（ｂ）では矢印Ｐとして示している。回転部材４が矢印の方向に回転すると、回転部材４の穴４０（図１６）の空気は、翼の回転方向の壁に押し当たり、矢印Ｐの挙動を示す。
図１６の従来技術では、回転部材４が、軸８回りに回転する際に、外周部材４５’が邪魔になって穴４０の空気が抜け難かったが、本実施形態においては、外周縁から内周側に向けて、空気の通り抜け部としての切欠き６が形成されており、回転部材の回転に伴い切欠き６内の空気が、内周側から外周側に放出される。このため、空気の残留をなくし、空気抵抗（風切抵抗）を低減することができる。外周部材４５’がなくなるので、回転部材４の慣性モーメントを減少させるとともに、回転部材４の軽量化にも役立つ。

回転部材４の中心部分は、強度を保つために、図４にみられるように、切欠き６が、軸８に近い中心部には存在しないようにすると良い。帯電膜３は等角度毎に配置しないと発電効率が落ちるため、中心部分には帯電膜３がある部分とない部分（基板のみ）に分かれる。各帯電膜３、第１電極Ａ、第２電極ＮＡの面積は等しくすると良い。中心部分（切欠き６の達していない部分）は、径が太くなっても体積的には少ないため、回転部材４の全体の自重への影響は小さい。

図５（ａ）は、外周部材４５’を有する図１６の従来技術の回転部材に対する、全負荷トルクと各負荷の割合を示している。横軸は回転部材の回転数で、縦軸は回転数２００rpsにおける回転部材の全負荷トルクを１００％としたときの各負荷トルクの割合である。ここで言う負荷とは、回転部材に連結する歯車機構の機械摩擦抵抗、回転部材で駆動する発電機構の静電抵抗、回転部材の軸受の摩擦抵抗、回転部材に生じる空気による摩擦抗力と風切抵抗のことである。図５（ａ）のＡは全負荷トルク、Ｂは機械摩擦抵抗と静電抵抗の合計、Ｃは摩擦抗力、Ｄは風切抵抗である。回転部材４の回転数が向上するほど、全負荷に対して風切抵抗の占める割合は大きく、発電効率向上のためにこの風切抵抗を低減する必要があった。

図５（ｂ）は、従来技術と本実施形態による回転部材の風切抵抗をシミュレーションにより比較したもので、従来技術の風切抵抗を１００％としたときの本実施形態による回転部材４の風切抵抗の割合を示している。横軸は、回転部材の１秒あたりの回転数（rps）である。図５（ｂ）から分かるように１００rps以上の高回転数領域では、本実施形態における回転部材４の構造にすることで３０から４０％の低減効果が得られている。エレクトレットによる発電構造では、帯電膜と対向電極の相対速度と、発電電力は、比例関係にあり、多くの電力を発電するために回転部材を高速回転させる必要があるが、風切抵抗も増加し回転を阻害してしまう。本実施形態によれば、風切抵抗を大きく減少させることができ、低負荷で回転部材を高速回転できるため、発電効率を向上させることが可能になる。

図２に示すように、回転軸８の回転部材４の上側において歯車１４が回転軸８に固定されている。また、軸９に固定された回転錘１０から回転軸８への歯車伝動機構（歯車列）として、軸９に固定された歯車１５と、回転軸８に固定された歯車１４とが設けられている。ここでは、歯車列は、歯車１５、１４を指している。この場合、回転錘１０の回転が増速されて回転軸８を回転させると、回転部材に設置された帯電膜（エレクトレット膜）３を、対向基板１（受け板３４の固定）に静止した対向電極２に対して、増速回転させることができる。従って、回転部材４の回転数が高まると、発電量を上昇させることができる。なお、歯車列としては、２枚の歯車に限らず、３枚以上の歯車を組み合わせても良く、また、特殊歯車、カム、リンク、一方向クラッチ等を途中に介在させたものもここでの歯車伝動機構に含まれる。軸９は、ここでは、受け板３４にベアリング１６を介して軸支されている。軸９の軸支については、地板３３と受け板３４で軸支することも可能である。

軸９に固定された回転錘１０から回転軸８への歯車伝動機構としては、機械式腕時計においてこれまで公知の自動巻きの回転駆動技術を転用することが可能である。たとえば、腕の運動などの振動による、軸９に固定された回転錘１０の正逆両方向の回転を、歯車伝動機構に内在した変換クラッチ機構によって、それぞれの回転を常に一方向の回転に変換するようにしても良い。回転錘１０の正逆両方向の回転の内で、一方向の回転だけを伝動するようにしても良い。このようなものを、両者含めてここでは時計用のワンウェイクラッチと呼び、一例として図１２のようなものが挙げられる。図１２の説明は後述する。

このような変換クラッチ機構は、機械式自動巻き腕時計の公知技術として、よく知られているので、これらの公知技術などを適用することが可能である。また、回転錘１０による軸９の回転や揺動の正逆一方向のみを、ワンウェイクラッチで回転軸８に伝動すると、回転錘１０の軸９（回転部材４の回転軸８）の回転が逆回転する時であっても、回転部材４に動きを阻害する力が加わることがなくなるので運動エネルギの無駄がなくなり、発電効率を高めることができる。以上述べた回転部材４と回転錘１０との歯車伝動機構は、以下に述べる実施形態においても適宜適用することができる。本実施形態において、回転錘１０は直接回転軸８に設けることも可能である。さらには、回転部材４に錘を設け、回転部材４の回転中心と重心位置とが異なる構成にして、回転錘の代わりにしても良い。これらの場合には歯車伝動機構１５、１４が不要である。また、上記変換クラッチにツーウェイクラッチを用いて、回転錘１０による軸９の正逆両方向における回転や揺動を回転軸８に伝動する機構にしても良い。これにより、ワンウェイクラッチでは無視されていた回転錘１０の回転による動力も、回転電極群を回転させるために用いられることになる。そのため、回転錘１０の回転動力を無駄なく発電に用いることができ、発電効率を高めることができる。

続いて、本実施形態の詳細について以下に説明する。
本発明で帯電膜として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。

図４を参照して、本実施形態での帯電膜３と対向電極２による発電を説明する。固定された対向基板（第１基板）には、第１電極Ａと第２電極ＮＡが交互に配置されて電極列を構成している。回転部材４の下面の帯電膜３は、図４に示すように、それぞれ、放射状に形成され、放射状の帯電膜３の一片と一片との間隔部は、外周縁から内周側に向けて切欠き６が形成されている。

第１電極Ａと第２電極ＮＡにおいて、次のように電流が生成される。複数の第１電極Ａを連結した配線をＡ配線といい、複数の第２電極ＮＡを連結した配線をＮＡ配線という。第１電極Ａと第２電極ＮＡは、回転方向に沿って交互に、一定間隔（ここでは一定角度間隔）で一列に配置されている。

図６（ａ）の第１電極Ａには、帯電膜３が重なり合っている（Ａ期間という）。このとき、帯電膜３（エレクトレット膜）には、負電荷が保持されているので、第１電極Ａには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。一方、回転部材４の回転に伴い、図６（ｂ）のように帯電膜３が、隣の第２電極ＮＡに重なる（ＮＡ期間という）。第２電極ＮＡには、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。正電荷が引き寄せられる際に電流が流れる。これに対して、第１電極Ａには、切欠き６が重なるので、引き寄せられた正電荷が消散して逆方向に電流が流れる。回転部材４の回転に伴い、Ａ期間とＮＡ期間が交互に繰り返されることになる。

回転錘１０によって、回転軸８に固定された回転部材４が回転すると、帯電膜（エレクトレット膜）３と、対向電極２の第１電極Ａ、第２電極ＮＡとの重なり面積が増減し、これらに引き寄せられる正電荷が増減して、対向電極２に交流電流を発生させる。出力部として出力された交流波形は、整流回路２０により直流に変換され、降圧回路３０を経て２次電池２２に充電されるとともに、クオーツムーブメントに出力する。整流回路２０は、ブリッジ式であり、４個のダイオードを備えている。回転部材４に対向電極２を配置すると、対向電極２の出力配線を設けることができず、対向電極２に接続した回転軸８から発電電流を取り出すことになるが、図４の本実施形態においては、回転軸８からは電流を取り出す必要はなく、固定された対向基板に対向電極２の出力配線を設けて電流を取り出せばよいので、回路構成が極めて簡易なものにすることができる。

本実施形態において、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１の配置を、図４の代わりに、図７のようにしても良い。図７の場合では、回転部材４、帯電膜３の配置は、図４と同じであるが、対向基板１上の対向電極２の配置が、第１電極Ａのみが等間隔で電極のない部分と交互に配置されている。全ての第１電極Ａは軸８側で連結されている。回転部材４の帯電膜３は軸８側で連結されて、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて整流回路２０に出力されている。一方、対向基板１の第１電極Ａも、軸８側の連結部から整流回路２０に出力が取り出される。軸８からの電流の取り出し方については、ブラシ電極や軸受部の導電体構成部を利用して回転しながら電気的接続を行えばよい。その他の構成及び作用効果は、上述した第１実施形態と同じである。

本実施形態において、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１の配置を、図７のようにする場合には、回転部材４（第２基板）の裏面に設置した帯電膜３の代わりに、第１電極Ａを設置し、対向基板（第１基板）の表面に設置した第１電極Ａの代わりに、帯電膜３を設置しても良い。すなわち、図７の帯電膜３と第１電極Ａを逆に配置して、図８のように配置するようにしても良い。この場合には、回転部材４の第１電極Ａは軸８側で連結されて、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて整流回路２０に出力されている。一方、対向基板１の帯電膜３も、軸８側の連結部から整流回路２０に出力が取り出される。軸８からの電流の取り出し方については、ブラシ電極や軸受部の導電体構成部を利用して回転しながら電気的接続を行えばよい。

（第２実施形態）
図９は、本発明の第２実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。

第２実施形態は、図４の放射状の帯電膜３の形状の代わりに、帯電膜３の形状を、回転部材４の回転方向の前縁が、内周側から外周縁に向かって反回転方向に次第に後退するような形状に形成した実施形態である。これまでの実施形態と同様に、帯電膜３の一片と一片との間隔部は切欠き６となっている。これにより、送風機の羽根の後退翼と同様に、径方向の外側に空気流が滑らかに押し出されて排出されるので、空気抵抗を低減させることができる。
対向電極２は、第１電極Ａと第２電極ＮＡを絶縁されて隙間なく配置するため、後縁形状を前縁と同じ形状にしている。また帯電膜３も、対向電極２との対向面積を最大にして発電効果を高めるため、翼の後縁と前縁の形状を対向電極２と同じ曲線に形成している。）

対向基板１については、図４と同様に（電極形状は異なる）、第１電極Ａと第２電極ＮＡが、上述の帯電膜３の形状と同じにして、交互に絶縁されて隙間なく配置されている。全ての第１電極Ａ、全ての第２電極ＮＡはそれぞれ連結されて、１相の交流を形成して、整流回路２０に入力される。その他の構成は、図４の第１実施形態と同じである。作用効果についても同様であるが、より一層の空気抵抗の低減率が得られる。なお、本実施形態においても、上述の帯電膜３の形状にして、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１の配置を、図７、８のようにしても良い。すなわち、回転部材４の帯電膜３（又は第１電極Ａ）は軸８側で連結されて、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて整流回路２０に出力されている。一方、対向基板１の第１電極Ａ（又は帯電膜３）も、軸８側の連結部から整流回路２０に出力が取り出される。これらの場合でも回転部材４の形状は、図９と同じである。

（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態の回転部材、帯電膜、対向電極、対向基板の概要を示す説明図である。

第３実施形態は、図４の放射状の帯電膜３の形状の代わりに、帯電膜３の形状を、回転部材４の回転方向の前縁が、内周側から外周縁に向かって、反回転方向に直線で後退するような形状に形成した実施形態である。回転部材４の翼の形状も、帯電膜の形状と同じにする。図１０に示すように、一例として、中心部の想像円Ｗから略三角形の帯電膜３の形状が、等間隔で反回転方向に後退するように配置されている。なお、略三角形の帯電膜３の形状の前縁、後縁を、間隔を置いて想像円Ｗから接線方向に後退するようにすると、等面積で隙間なく配置しやすい。これまでの実施形態と同様に、帯電膜３の一片と一片との間隔部は切欠き６となっている。これにより、径方向の外側に空気流が滑らかに押し出されて排出されるので、空気抵抗を低減させることができる。回転部材４の回転方向の後縁の帯電膜３の形状も前縁形状と同じ直線で形成している。

対向基板１については、第１電極Ａと第２電極ＮＡが、上述の帯電膜３の三角形状と同じにして、交互に絶縁されて隙間なく配置されている。全ての第１電極Ａ、全ての第２電極ＮＡはそれぞれ連結されて、１相の交流を形成して、整流回路２０に入力される。その他の構成は、第２実施形態と同じである。作用効果についても同様であり、より一層の空気抵抗の低減率が得られる。なお、本実施形態においても、上述の帯電膜３の形状にして、回転部材４、帯電膜３、対向電極２、対向基板１の配置を、図７、８のようにしても良い。すなわち、回転部材４の帯電膜３（又は第１電極Ａ）は軸８側で連結されて、導電部材の軸８に電気接点を介して接続されて整流回路２０に出力されている。一方、対向基板１の第１電極Ａ（又は帯電膜３）も、軸８側の連結部から整流回路２０に出力が取り出される。これらの場合でも回転部材４の形状は、図１０と同じである。

図１１（ａ）〜（ｆ）は、回転部材の翼の周方向に見た断面図である。

これまで述べてきた実施形態では、前縁部の断面形状が図１７にみられるような回転部材４の回転面に垂直方向となっていた。図１１（ａ）では、回転部材４の前縁が、回転方向に向いて下方に尖った形状となっている。回転部材の翼の下面には帯電膜３が配置されており、対向基板１の対向電極２に対向している。帯電膜３と対向電極２の間隙は狭いので、回転部材４の前縁で空気が上方に抜けるようにすることができる。図１１（ｂ）では、回転部材４の前縁が、流線型に形成されている。図１１（ｃ）では、回転部材４の前縁が、三角断面に形成されている。図１１（ｄ）〜（ｆ）は、前縁と後縁の断面形状を同形状にしたものである。このようにすると、回転部材４の回転方向がいずれの方向であっても空気抵抗を減少させることができる。図１１（ａ）〜（ｆ）の回転部材４の翼の断面形状は、本発明の全ての実施形態に適用することができる。

図１２は、回転錘の正逆回転の一方回転のみを回転部材に伝動する機構の一例である。（ａ）は、平面図であり、（ｂ）は側面図である。

第１実施形態では、回転部材４が正逆どちらの方向に回転しても、受ける空気抵抗は同じである。しかし、上述の第２、３実施形態では、回転部材４の回転方向の前縁が、内周側から外周縁に向かって、反回転方向に曲線や直線で後退するような形状に形成している（空気抵抗の少ない方を正回転という）。このため、回転錘１０の回転が、常に正回転となるように、ワンウェイクラッチを、図２の回転錘１０の伝動機構の途中（歯車１５と、１４の間など）に挿入して、回転錘１０の回転が、回転部材４を正回転する時だけ伝動するようにすると良い。回転錘１０の正逆両回転が、回転部材４を常に正回転するようにしても良い。このような時計用のワンウェイクラッチは、ラチェット爪を使用したクラッチなどとは異なり、ラチェット爪による回転摩擦がかからないようになっている。図１２のワンウェイクラッチは、次のような構造になっている。

歯車１５と、１４の間には、入力側の歯車１５に噛合う歯車６１が、軸６０回りに、回転自在に嵌合して軸６０とは無関係に回転する。歯車６１には星形歯車６４が、歯車６１の突起軸６５に回転自在に嵌めこまれている。歯車６１は、特殊歯車６３に対して、Ｓ方向の回転には両歯車の相互関係が不動状態に固定されて、歯車６１に固定された突起軸６５が軸６０の回りに公転すると、その回転を特殊歯車６３に伝動することになる。特殊歯車６３は軸６０に固定されているので、カナ歯車６２から、歯車１５の回転が、出力側の歯車１４に伝動されることになる。

一方、Ｔ方向の回転時には、歯車６１が回転して、星形歯車６４が軸６０回りに公転しても、星形歯車６４は、突起軸６５に回転自在に嵌めこまれているので、特殊歯車６３に対して空回りしてしまう。したがって、入力側の歯車１５の回転は、出力側の歯車１４に伝動されない。このような時計用のワンウェイクラッチは、図１２の機構に限定されず、逆転時の回転摩擦がない機構であれば適用しても良い。

（第４実施形態）
図１３は、本発明の第４実施形態の回転部材を示す斜視図である。

第１実施形態では、図１６の従来技術の外周部材４５’がなくなっていたが、本実施形態では、回転部材４の厚みより薄い薄肉外周部材４４が存在する。回転部材４が、軸８回りに回転する際に、薄肉外周部材４４により、穴４０の空気を外部に通り抜けさせることができる。本実施形態では、回転部材４の厚みと薄肉外周部材４４との厚みの段差部が、空気の通り抜け部に該当する。また薄肉外周部材４４は、次のような利点を有する。従来技術の外周部材４５’を回転部材４から無くすると、図４のように放射状の帯電膜３の翼は、細い根元部分でのみ回転部材に保持されるため、外部からの衝撃が加わったときに、根元に応力が集中して折れる可能性がある。薄肉外周部材４４により放射状の翼の外周同士がつながることで、外部からの衝撃による応力を分散することができ、穴４０の空気を抜けやすくするとともに翼の破損を防止する効果が得られる。

また、回転部材４から外周部材４５’がなくなることで翼の根元に応力が集中するため、翼が変形して平面高さにバラつきが生じる可能性があり、これにより帯電膜３と対向電極２の距離もバラつくことになる。帯電膜３と対向電極２の距離により発電量が変わるので、発電電流の脈動が生じてノイズとなり、時計回路に悪影響を与えることになる。また、翼の平面高さのバラツキにより、外部からの衝撃等で回転部材が上下した際に、翼の帯電膜３と対向基板１の対向電極２が接触しやすくなり、帯電膜の破壊、あるいは帯電膜３の電荷喪失が発生する。薄肉外周部材４４により放射状の翼の外周同士がつながることで、翼の平面高さを一定にすることができ、穴４０の空気を抜けやすくするとともに、回転部材４の耐衝撃性を向上させ、発電電流を一定にする効果が得られる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。帯電膜と対向電極の配置及び翼の形状は、図４、７〜１１と同様に適用することができる（以下の実態形態も同様）。

（第５実施形態）
図１４は、本発明の第５実施形態の回転部材を示す斜視図である。

第４実施形態では、回転部材４の厚みより薄い薄肉外周部材４４が、穴４０の外周部全周に亘って存在したが、本実施形態では、図１４に示すように、穴４０の外周部の一部が、薄肉外周部材４４’となっている。本実施形態においても、回転部材４が、軸８回りに回転する際に、薄肉外周部材４４’により、穴４０の空気を外部に通り抜けさせることができる。薄肉外周部材４４’以外の回転部材４の外周部は、帯電膜３の翼と同じ厚みを保っているため、図１３に比べて翼の強度が向上し、外部からの衝撃による翼の破損を防ぎつつ、穴４０の空気を抜けやすくできる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。

（第６実施形態）
図１５は、本発明の第６実施形態の回転部材を示す斜視図である。

第６実施形態では、放射状の帯電膜３の一片（翼）と一片（翼）との間隔部が、回転部材４の厚みより薄い、放射状の薄肉部４６となっている。従来技術では、放射状の帯電膜３の一片（翼）と一片（翼）との間隔部が穴であり、この穴内の空気が回転部材４の外側に抜けにくいため回転を阻害する要因となっていたが、本実施形態では上記の穴を無くして翼の肉厚よりも薄い薄肉部４６とすることで、回転を阻害する空気は薄肉部４６と翼との段差部分に存在するだけとなり、回転部材４の負荷となる空気量を大幅に少なくすることができる。更に、回転部材４が軸８回りに回転する際に、放射状の薄肉部４６により、空気を外部に通り抜けさせることができる。つまり、薄肉部４６の上面、下面、またはその両面が、内周部から外周部にかけて平面または緩やかな曲面であるため、薄肉部４６と翼との段差部分に存在する空気が、回転に応じて回転部材の外側へ移動しやすくなる。本実施形態では、回転部材４の厚みと放射状の薄肉部４６との厚みの段差部が、空気の通り抜け部に該当する。翼は、薄肉部４６により根元だけでなく側面全てが回転部材と一体に保持されるため、図１４に比べて翼の強度が向上し、外部からの衝撃による翼の破損を防ぎつつ、薄肉部４６と翼４との段差部分の空気を抜け易くできる。その他の構成、作用効果は、第１実施形態と同じである。

本発明のその他の実施形態としては、回転錘１０は直接回転軸８に設けることも可能である。さらには、回転部材４に錘を追加し、回転部材４の回転中心と重心位置とが異なる構成にして回転錘の代用としても良い。これらの場合には歯車伝動機構１５、１４が不要である。

さらに、特許文献１、２のように、回転部材４に錘を設けて、軸８とハウジング３３の間にヒゲゼンマイを設け、ヒゲゼンマイの一端はヒゲ持ち（時計用語、支持棒）でハウジングに固定され、ヒゲゼンマイの他端が、回転軸８にヒゲ玉（時計用語、環状リング）によって圧入や加締めで固定されるような実施形態に、第１〜３実施形態の対向電極と帯電膜の特徴を適用しても良い（この点は特許文献１、２を引用補充する）。この形態は、歯車１４と回転軸８との間にベアリングを設けるとともに、ヒゲゼンマイの一端はヒゲ持ちで歯車１４に固定され、ヒゲゼンマイの他端が、回転軸８にヒゲ玉によって圧入や加締めで固定するようにしても良い。さらには、回転部材４の下方側に設置した対向電極と帯電膜を、下方側でなく回転部材４の上方側に設けても、実施可能である。

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。

１ 第１基板、対向基板
２ 対向電極
３ 帯電膜
４ 第２基板、回転部材
６ 切欠き
８ 軸
１０ 回転錘
１４、１５ 歯車
２０ 整流回路
２１ 歯車駆動部
２２ ２次電池
２４ 風防
２５ 文字板
３０ 降圧回路
３３、３４ ハウジング
４０ 穴
Ａ 第１電極
ＮＡ 第２電極
２００ クオーツムーブメント

Claims (12)

1. ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記ハウジングに回転自在に軸支された軸を有する第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び前記対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、
   前記対向電極を第１基板の第１対向面に設置し、前記帯電膜を前記第１対向面に対向する前記第２基板の第２対向面に設置し、
   前記第２基板の前記第２対向面には、所定角度毎に、前記帯電膜と、前記帯電膜が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、
   前記間隔部の外周部には空気の通り抜け部が設けられている静電誘導型発電器。
2. 前記対向電極は、前記第１対向面に分離して設けられた複数の第１電極と第２電極から構成され、前記第１電極と前記第２電極は、前記回転方向に沿って交互に、所定角度毎に配置され、前記第１電極同士と前記第２電極同士が接続されるとともに、前記第１電極と前記第２電極はそれぞれ前記出力部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の静電誘導型発電器。
3. ハウジングと、前記ハウジングに固定された第１基板と、前記ハウジングに回転自在に軸支された軸を有する第２基板と、帯電膜と、対向電極と、前記帯電膜及び前記対向電極間で発生した電力を出力する出力部と、を有し、
   前記帯電膜を第１基板の第１対向面に設置し、前記対向電極を前記第１対向面に対向する前記第２基板の第２対向面に設置し、
   前記第２基板の前記第２対向面には、所定角度毎に、前記対向電極と、前記対向電極が設置されていない間隔部とが交互に配置されており、
   前記間隔部の外周部には空気の通り抜け部が設けられている静電誘導型発電器。
4. 前記対向電極と前記帯電膜は、それぞれ前記出力部に接続されていることを特徴とする請求項１又は３に記載の静電誘導型発電器。
5. 前記間隔部において、外周縁から内周側に向けて切欠きが形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
6. 前記第２基板の回転方向の前縁が、内周側から外周縁に向かって、反回転方向に後退したことを特徴とする請求項５に記載の静電誘導型発電器。
7. 前記第２基板の回転方向の前縁の断面が、先鋭形状に形成されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の静電誘導型発電器。
8. 前記第２基板の断面が、流線形で形成されたことを特徴とする請求項５又は６に記載の静電誘導型発電器。
9. 前記間隔部において、外周縁から内周側に向けて溝が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
10. 前記間隔部において前記外周部を除いて穴が形成されており、前記外周部に空気の通り抜け部が設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
11. 前記軸若しくは前記第２基板は、重量バランスの偏りを有する回転錘が直接設置されているか、又は、回転錘の回転が歯車列を介して前記軸に回転伝動され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１０のいずれか１項に記載の静電誘導型発電器。
12. 前記回転錘の正逆回転の一方回転のみが、前記第２基板に常に一方向に回転伝動されることを特徴とする請求項１１に記載の静電誘導型発電器。

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