JP2017070096A - 振動型発電機及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を少なくして、しかも簡単な構造で薄形化を図ることができる振動型発電機及びその製造方法を提供する。【解決手段】振動型発電機は、回転中心軸２２と、回転中心軸２２を回転自在に支持する軸受２４と、複数の第１電極３２を備えた固定基板２６と、回転中心軸２２に固定されて固定基板２６に対して回転し、第２電極３８を備えた回転基板３４と、回転基板３４に設けられた重錘４０と、第２電極３８と一緒に設けられた電荷保持体４２と、複数の第１電極３２及び複数の第２電極３８の径方向外側に位置するスペーサ機構４４とを備えている。スペーサ機構４４は、固定基板２６にエッチングにより形成された第１の溝部４８と、第１の溝部４８と正対するように、回転基板３４にエッチングにより形成された第２の溝部５０と、第１の溝部４８及び第２の溝部５０内に収納される転動体４６とからなる。【選択図】 図２

Description

本発明は、振動型発電装置及びその製造方法に関するものである。

特開２０１１−９７７１８号公報の図１には、回転軸の周囲に並ぶ複数の第１電極５を備えた第１の部材（固定基板）１４と、第１の部材（固定基板）１４に対して回転し、複数の第１電極５と所定の間隔をあけて対向する複数の第２電極８を備えた扇型の第２の部材（回転基板）１５と、複数の第１電極５及び複数の第２電極８の一方と一緒に設けられた電荷保持体９と、複数の第１電極５の径方向外側に位置し且つ固定基板１４に対して固定され且つ回転基板１５の周方向に並ぶ複数の球体４を有して、複数の球体４の存在により第１の部材（固定基板）１４と第２の部材（回転基板）１５との間に所定の間隔を維持するスペーサ３を備えた従来の振動型発電機が開示されている。

特開２０１１−９７７１８号公報 図１

従来の振動型発電機では、複数の球体４を備えたスペーサ３を別部品として第１の部材（固定基板）１４に固定している。別部品のスペーサ３を用いると、部品点数が増えるだけでなく、振動型発電機の薄形化を図ることができないという問題が生じる。また第の２部材（回転基板）１５が扇形を呈している状態では、複数の球体４がスペーサ３の基材から飛び出さないような構造を採用しなければならず、スペーサ３の構造が複雑になるだけでなく、スペーサ３の製造コストが上がる問題が生じる。

本発明の目的は、部品点数を少なくして、しかも簡単な構造で薄形化を図ることができる振動形発電機及びその製造方法を提供することにある。

本発明の振動型発電機は、回転中心軸と、回転中心軸を回転自在に支持する軸受と、軸受の非回転部の軸線方向の一端が嵌合される凹部を備え、凹部の周囲に並ぶ複数の第１電極を備えた固定基板と、回転中心軸に固定されて固定基板に対して回転し、複数の第１電極と所定の間隔をあけて対向する複数の第２電極を備えた回転基板と、回転基板に設けられた重錘と、複数の第１電極及び複数の第２電極の一方と一緒に設けられた電荷保持体と、複数の第１電極及び第２電極の径方向外側に位置し且つ固定基板と回転基板との間に回転自在に配置されて回転基板の回転方向に並ぶ複数の転動体を有し、複数の転動体の存在により所定の間隔を維持するスペーサ機構とを備えている。なお本願発明においては、第２電極として、複数の電極から構成されるものの他、１つの渦巻き状の電極を用いることができるのは勿論である。

本発明の振動型発電機では、固定基板及び回転基板が、それぞれシリコン基板等のエッチングが可能な材料によって形成されている。そしてスペーサ機構は、固定基板にエッチングにより形成された第１の溝部と、第１の溝部と正対するように、回転基板にエッチングにより形成された第２の溝部とを備えている。第１の溝部は、回転基板に向かって開口し且つ回転中心軸の軸線を中心として複数の第１電極を囲むように円環状に形成されている。また第２の溝部は、固定基板に向かって開口し且つ回転中心軸の軸線を中心として第２電極を囲むように円環状に形成されている。そして複数の転動体が、第１の溝部の内壁面及び第２の溝部の内壁面と接触した状態で第１の溝部及び第２の溝部内に収容されている。

本発明のように、固定基板に形成された円環状の第１の溝部と回転基板に形成された円環状の第２の溝部の内部に複数の転動体を収容してスペーサ機構を構成すると、スペーサ機構を別部品として用意する必要がなく、しかもスペーサ機構が別部品として固定基板と回転基板の間に存在しない。そのため、振動型発電機の厚み寸法は、実質的に固定基板と回転基板の厚みによって定まることになり、本発明によれば、振動型発電機の厚みを従来よりも大幅に薄くすることができる。また円環状の第１の溝部及び第２の溝部内に複数の転動体が収容されているため、転動体がスペーサ機構から抜け出すことを防止する構造を簡単に構成することができる。

軸部が嵌合される凹部が、固定基板にエッチングにより形成されており、また重錘が回転基板にエッチングにより形成されているのが好ましい。凹部及び重錘をエッチングにより形成すると、第１の溝部及び第２の溝部を形成するエッチング作業により、これらの部分を一緒に形成することができ、部品点数及び加工工数を低減することができる。

回転中心軸が軸受に回転自在に支持されている状態で、第１の溝部の内壁面と第２の溝部の内壁面との間に、複数の転動体が挟持されている。このような状態にすると、複数の第１電極と複数の第２電極との間の間隔を常に保つことができる。その結果、スペーサ機構でガタツキが発生することがなく、しかも第１電極と第２電極とが接触することにより発生する電荷低減の発生を防止することができる。

本発明の振動型発電機を製造する場合には、固定基板にエッチングを施すことにより第１の溝部と凹部とを一緒に形成し、回転基板にエッチングを施すことにより第２の溝部と重錘とを一緒に形成するのが好ましい。そして組み立てに当たっては、凹部に軸受を嵌合し、第１の溝部及び第２の溝部の一方の中に複数の転動体を入れた後、第１の溝部及び第２の溝部の他方の中に複数の転動体が入る位置関係で、固定基板と回転基板とを位置決めする。その後、回転基板に固定された回転中心軸を軸受に回転自在に固定するか、または軸受に回転自在に固定された回転中心軸に回転基板を固定することにより、複数の転動体が、第１の溝部の内壁面及び第２の溝部の内壁面と接触した状態になるように、固定基板、回転基板、軸受、回転中心軸を組み立てるのが好ましい。このようにすると製造の際の加工工数を減らすことができる上、組み立て作業が容易になる。

本発明の振動型発電機によれば、固定基板に形成された第１の溝部と回転基板に形成された第２の溝部内に転動体を収容したので、スペーサ機構を別部品として用意する必要がなく、その分だけ厚み寸法を少なくすることができる。

本発明の振動型発電機の製造方法によれば、固定基板にエッチングを施すことにより第１の溝部と凹部とを一緒に形成し、回転基板にエッチングを施すことにより第２の溝部と重錘とを一緒に形成するようにしたので、加工工数を減らすことができる。

本発明の振動型発電機の製造方法の一つの実施の形態により製造された、本発明の振動型発電機の一つの実施の形態を示す平面図である。 図１のII−II線断面図であり、ハッチングは省略して示す。 図１に示した実施の形態の組立て前の状態を示す図２と同様の断面図である。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の振動型発電機及びその製造方法の実施の形態について説明する。

各図に示すように、本実施の形態の振動型発電機は、回転中心軸２２と、回転中心軸２２を回転自在に支持する軸受２４と、固定基板２６と回転基板３４とを備えている。

平板な円盤形状を概形とする固定基板２６は、図で見て上面（以下「上」「下」の向きは図２における上下をいう。）の中心部に軸受２４の非回転部である外輪２８の軸線方向の下端がぴったり嵌合される円筒状の内周面と円形の底面を有する凹部３０を有している。そして固定基板の上面には、凹部３０の半径方向外側の周囲に並ぶ複数の第１電極３２が設けられている。

回転基板３４は、固定基板２６とほぼ同一の長さの直径を有する平板な円盤形状を概形とする。回転基板３４は、その下面に設けられた凹部３６において、回転中心軸２２に軸線を共通にして固定されている。回転中心軸２２は固定基板２６の凹部３０に嵌合された軸受２４により回転自在に支持されている。その結果、回転基板３４は、固定基板２６に対して回転することができる。本実施の形態では、回転中心軸２２と回転基板３４とは一体に形成されている。なお回転中心軸２２は、金属製で回転基板３４とは別に設けられていてもよいのは勿論である。

円筒状の内周面と円形の底面を有する凹部３６の内径は、軸受２５の外周をなす外輪２８の外径よりもやや大きく、且つ固定基板２６と回転基板３４とが組み立てられたときに凹部３６の底面は軸受２５の上端との間に十分な間隙が設けられているため、軸受２５の上端は凹部３６内に遊嵌されて、回転基板３４の回転を妨げることがない。回転中心軸２２の下端も、固定基板２６と回転基板３４とが組み立てられた状態では、凹部３０の底面には接触しないように回転中心軸２２の長さが調整されている。

また回転基板３４は、固定基板２６との対向面に、複数の第１電極３２と所定の間隔をあけて対向する複数の第２電極３８を備えている。図示していないが、複数の第１電極３４及び複数の第２電極３８は、いずれも回転中心軸２２を中心として半径方向外側に向かって広がりながら延びる扇形で、複数の電極パターンが周方向に一定の回転角度分の間隔を空けて配置されている。なお第２電極として、１つの渦巻き形状の電極によって構成されたものを用いることができるのは勿論である。

なお軸受２５の内部の構造は図示を省略しているが、内輪を有しないニードルベアリングであり、内輪の代わりに回転中心軸２２を保持し、回転中心軸２２の外周面を軌道面とする。

回転基板３４の上面には、重錘４０が設けられている。重錘４０は、回転基板３４の回転軸回りに重量の偏りを生じさせるためのものであり、振動型発電機に振動が加わると、重錘４０が設けられている部分は重力に引かれて常に下方に位置しようと回転基板２４は回転する。その結果、振動する固定基板２６に対して回転基板３４が相対的に回転することになる。重錘４０は回転軸回りに重量の偏りが生じさえすれば形状や材料等は問わない。本実施の形態では、重錘４０が回転基板３４と一体に形成され、回転基板３４の上面から上方に向かって突き出た平面視形状が略半円形状の凸部である。

複数の第２電極３８の下面には、電荷保持体４２が設けられている。電荷保持体４２は、半永久的な電荷をもつ誘電体（絶縁体）であり、対向する第１電極３２に逆極性の電荷が引き寄せられて電気を蓄えた状態になり、振動などにより固定基板２６に対し回転基板３４が相対的に回転すると、電荷保持体４２と第１電極３２の重なり面積が変化して、電気を発生する。

スペーサ機構４４は、複数の転動体４６と、複数の転動体４６を収容する第１溝部４８及び第２溝部５０とから構成される。スペーサ機構４４は、複数の第１電極３２及び複数の第２電極３８の径方向外側に位置して、固定基板２６と回転基板３４との間の所定の間隔を維持する。転動体４６は、固定基板２６と回転基板３４との間に回転自在に配置されて、回転基板３４の回転方向に並んでいる。

本実施の形態の振動型発電機においては、固定基板２６及び回転基板３４はそれぞれ、エッチング可能なシリコン基板によって形成されている。そのためスペーサ機構４４は、固定基板２６にエッチングにより形成された第１の溝部４８と、第１の溝部４８と正対するように、回転基板３４にエッチングにより形成された第２の溝部５０とを備えている。第１の溝部４８は、回転基板３４に向かって開口し且つ回転中心軸２２の軸線を中心として複数の第１電極３２を囲むように円環状に形成されている。また第２の溝部５０は、固定基板３４に向かって開口し且つ回転中心軸２２の軸線を中心として複数の第２電極３８を囲むように円環状に形成されている。そして複数の転動体４６が、第１の溝部４８の内壁面及び第２の溝部の内壁面５０と接触した状態で第１の溝部４８及び第２の溝部５０内に収容されている。

本実施の形態では固定基板２６と回転基板３４とはシリコン基板によって形成されているが、他の実施の形態ではその他の材料製であってもよく、例えば鉄、ステンレス、真鍮、銅等の金属や、ＡＢＳ樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の樹脂など、好ましくはエッチング可能な材料が挙げられる。固定基板２６と回転基板３４とをシリコン基板によって形成している場合、第１電極３２及び第２電極３８はそれぞれ固定基板２６及び回転基板３４上に直接構成することができる。

転動体４６は、耐摩耗性材料及び／又は超硬材料で形成されていることが好ましく、本実施の形態ではＡｌ₂Ｏ₃製であるが、他の実施の形態ではＳｉ₃Ｎ₄、ＺｒＯ₂やタングステンカーバイドなどを用いることができる。転動体４６は本実施の形態では球状だが、円筒状やニードル状でも同様の作用効果が得られる。

電荷保持体４２はシリコン窒化膜に覆われたシリコン酸化膜により形成されている。他の実施の形態ではチタン酸ジルコン酸鉛膜により形成されていてもよい。なお電荷保持体４２は第２電極３８上に形成したが、第１電極３２上に形成することも可能である。なお固定基板２６と回転基板３４を、石英ガラス材料で形成してもよいのは勿論である。

次に本実施の形態の振動型発電機の製造方法について説明する。

本実施の形態の振動型発電機を製造する場合には、シリコン製の円板状の基板にエッチングを施すことにより第１の溝部４８と凹部３０とを一緒に形成して、固定基板２６を製造する。また、シリコン製の円板状の基板の両面に対して、エッチングを施すことにより第２の溝部５０と重錘４０とを一緒に形成し、さらに凹部３６と回転中心軸２２もエッチングにより一緒に形成して、回転基板３４を形成する。これら各部を一緒に形成することにより、部品数と加工工数を減らすことができ、組立作業も容易に行うことができる。

上記エッチング工程に前後して、固定基板２６及び回転基板３４上の所定の箇所に導体パターンを形成して第１電極３２及び第２電極３８を形成し、さらに第２電極３８上に電荷保持体４２を形成する。

固定基板２６及び回転基板３４が完成したら、両者を組み立てる工程に移行する。組み立てに当たっては、まず固定基板２６の凹部３０に軸受２４の外輪２８を嵌合し、第１の溝部４８の中に複数の転動体４６を入れた後、第２の溝部５０の中に複数の転動体４６が入るように相互の軸線が一致する位置関係に、固定基板２６と回転基板３４とを位置決めする。

その後、回転基板３４から突き出た回転中心軸２２を軸受２４に貫通して軸受２４に回転自在に保持することにより、複数の転動体４６が、第１の溝部４８の内壁面及び第２の溝部５０の内壁面と接触した状態になるように、固定基板２６、回転基板３４及び軸受２４を図３のような位置関係に配置して、組み立てて図２の状態とする。

以上のようにして製造した本実施の形態の振動型発電機は、固定基板２６に形成された円環状の第１の溝部４８と回転基板３４に形成された円環状の第２の溝部５０の内部に複数の転動体４６を収容してスペーサ機構４４を構成しているので、スペーサ機構を別部品として用意する必要がなく、しかもスペーサ機構４４が別部品として固定基板２６と回転基板３４の間に存在しない。そのため、振動型発電機の厚み寸法は、実質的に固定基板２６と回転基板３４の厚みによって定まることになる。従って本実施の形態の振動型発電機は、厚みを従来よりも大幅に薄くすることができる。また円環状の第１の溝部４８及び第２の溝部５０内に複数の転動体４６が収容されているため、転動体４６がスペーサ機構４４から抜け出すことを防止する構造を簡単に構成することができる。

このように回転中心軸２２が軸受２４に回転自在に支持されている状態で、第１の溝部４８の内壁面と第２の溝部の内壁面５０との間に、複数の転動体４６が挟持されていると、複数の第１電極３２と複数の第２電極３８との間の間隔を常に一定に保つことができる。その結果、スペーサ機構４４でガタツキが発生することがなく、しかも第１電極３２と第２電極３８とが接触することにより発生する電荷低減の発生を防止することができる。

なお本実施の形態ではエッチングにより回転中心軸２２や重錘４０を形成したが、回転中心軸２２や重錘４０は回転基板３４に接合することにより設けてものは勿論である。例えば重錘４０は、回転基板３４の上面に貼付した薄い鉛板によって構成してもよい。

本発明によれば、スペーサ機構を別部品として用意する必要がなく、しかもスペーサ機構が別部品として固定基板と回転基板の間に存在しないため、振動型発電機の厚み寸法は、実質的に固定基板と回転基板の厚みによって定まることになり、振動型発電機の厚みを従来よりも大幅に薄くすることができる。また円環状の第１の溝部及び第２の溝部内に複数の転動体が収容されているため、転動体がスペーサ機構から抜け出すことを防止する構造を簡単に構成することができる。

２２ 回転中心軸
２４ 軸受
２６ 固定基板
２８ 外輪
３０ 凹部
３２ 第１電極
３４ 回転基板
３６ 凹部
３８ 第２電極
４０ 重錘
４２ 電荷保持体
４４ スペーサ機構
４６ 転動体
４８ 第１の溝部
５０ 第２の溝部

Claims (5)

1. 回転中心軸と、
   前記回転中心軸を回転自在に支持する軸受と、
   前記軸受の非回転部の軸線方向の一端が嵌合される凹部を備え、前記凹部の周囲に並ぶ複数の第１電極を備えた固定基板と、
   前記回転中心軸に固定されて前記固定基板に対して回転し、前記複数の第１電極と所定の間隔をあけて対向する第２電極を備えた回転基板と、
   前記回転基板に設けられた重錘と、
   前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極の一方と一緒に設けられた電荷保持体と、
   前記複数の第１電極及び前記複数の第２電極の径方向外側に位置し且つ前記固定基板と前記回転基板との間に回転自在に配置されて前記回転基板の回転方向に並ぶ複数の転動体を有し、前記複数の転動体の存在により前記所定の間隔を維持するスペーサ機構とを備えている振動型発電機であって、
   前記固定基板及び前記回転基板は、それぞれエッチングが可能な材料によって形成されており、
   前記スペーサ機構は、前記固定基板にエッチングにより形成された第１の溝部と、
   前記第１の溝部と正対するように、前記回転基板にエッチングにより形成された第２の溝部とを備えており、
   前記第１の溝部は、前記回転基板に向かって開口し且つ前記回転中心軸の軸線を中心として前記複数の第１電極を囲むように円環状に形成されており、
   前記第２の溝部は、前記固定基板に向かって開口し且つ前記回転中心軸の軸線を中心として前記複数の第２電極を囲むように円環状に形成されており、
   前記複数の転動体が、前記第１の溝部の内壁面及び前記第２の溝部の内壁面と接触した状態で前記第１の溝部及び前記第２の溝部内に収容されていることを特徴とする振動型発電機。
2. 前記凹部が前記固定基板にエッチングにより形成されており、
   前記重錘が前記回転基板にエッチングにより形成されている請求項１に記載の振動型発電機。
3. 前記回転中心軸が前記軸受に回転自在に支持されている状態で、前記第１の溝部の前記内壁面と前記第２の溝部の前記内壁面との間に、前記複数の転動体が挟持されている請求項１に記載の振動型発電機。
4. 請求項１の振動型発電機の製造方法であって、
   前記固定基板にエッチングを施すことにより前記第１の溝部と前記凹部とを一緒に形成し、
   前記回転基板にエッチングを施すことにより前記第２の溝部と前記重錘とを一緒に形成することを特徴とする振動型発電機の製造方法。
5. 請求項１の振動型発電機の製造方法であって、
   前記凹部に前記軸受を嵌合し、
   前記第１の溝部及び前記第２の溝部の一方の中に前記複数の転動体を入れた後、前記第１の溝部及び前記第２の溝部の他方の中に前記複数の転動体が入る位置関係で、前記固定基板と前記回転基板とを位置決めし、
   その後前記回転基板に固定された前記回転中心軸を前記軸受に回転自在に固定するか、または前記軸受けに回転自在に固定された回転中心軸に前記回転基板を固定することにより、前記複数の転動体が、前記第１の溝部の内壁面及び前記第２の溝部の内壁面と接触した状態になるように、前記固定基板、前記回転基板、前記軸受、前記回転中心軸を組み立てることを特徴とする振動型発電機の製造方法。

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