JP2020102960A - 発電システムおよび携帯型時計 - Google Patents

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Abstract

【課題】降圧部を介して、発電部から出力を効率良く蓄電部に充電することができる発電システムおよび携帯型時計を提案すること。【解決手段】発電システム１は、発電部２と、蓄電部７と、降圧部５とを備える。発電部２は、帯電膜と対向電極との相対回転により発電する発電本体部２１と、帯電膜と対向電極とを相対回転させる動力を発生する動力発生部２２とを有する。蓄電部７は、発電部２の出力を充電する。降圧部５は、発電部２および蓄電部７と電気的に接続され、かつ発電部２の発電電圧Ｖｅｊを降圧電圧Ｖｓｂまで降圧する。発電部２の定格状態において、最も発電効率が高い発電電圧Ｖｅｊに、降圧部５における降圧倍率Ｘを除算した降圧電圧Ｖｓｂは、蓄電部７の放電カーブにおける変曲点より高電圧側に存在する最大曲率を有する第１の曲率点と、変曲点より低電圧側に存在する最大曲率を有する第１の曲率点との間に対応する蓄電電圧Ｖｂと一致する。【選択図】図３

Description

本発明は、発電システムおよび携帯型時計に関する。
時計においては、電磁モータにより針を回転させるものがある。時計のうち、ユーザーが腕に身につける腕時計などの携帯型時計の場合には、外装ケースに収容された蓄電部が電磁モータを駆動するための電力を発生することとなる。従来の腕時計には、蓄電部として充放電が可能な２次電池が使用されており、外装ケースに収容された発電部、例えば、ソーラーパネルの出力を充電するものがある。
携帯型時計の蓄電部に充電する発電部としては、静電誘導型発電器が考えられる（特許文献１〜３参照）。静電誘導型発電器は、帯電膜と対向電極との相対移動に基づいて発電するものである。携帯型時計は、身につけたユーザーが歩行など移動することで、振動が発生し、この振動に基づき帯電膜と対向電極との相対移動が発生し、静電誘導型発電器による発電が可能となる。
特開２００８−１６１０３６号公報 特開２００８−１６１０４０号公報 特開２００９−２１９３５３号公報
ところで、静電誘導型発電器の出力電圧は高く、静電誘導型発電器からの出力を蓄電部に充電する場合は、出力電圧を降圧する降圧部を静電誘導型発電器と蓄電部とに接続することとなる。
ここで、発電部の最も発電効率が良い出力電圧と、発電部の出力電圧によって充電される充電側の電圧との間に大きな差があると、降圧部を介して発電部の出力を蓄電部に充電する際の効率が悪くなるという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、降圧部を介して、発電部から出力を効率良く蓄電部に充電することができる発電システムおよび携帯型時計を提案することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本実施形態における発電システムは、帯電膜と対向電極との相対回転により発電する発電本体部と、前記帯電膜と前記対向電極とを相対回転させる動力を発生する動力発生部とを有する発電部と、少なくとも前記発電部の出力を充電する蓄電部と、前記発電部および前記蓄電部と電気的に接続され、かつ前記発電部の発電電圧を降圧電圧まで降圧する降圧部と、を備え、前記蓄電部は、蓄電電圧および蓄電容量に関する放電カーブにおいて、変曲点と、前記変曲点より高電圧側に存在する最大曲率を有する第１の曲率点と、前記変曲点より低電圧側に存在する最大曲率を有する第２の曲率点と、を有し、前記発電部の定格発電状態において発電電圧に、前記降圧部における降圧倍率を除算した降圧電圧は、前記蓄電部の前記第１の曲率点と前記第２の曲率点の間の領域に対応する蓄電電圧と一致する、ことを特徴とする。
また、上述した課題を解決し、目的を達成するために、本実施形態における携帯型時計は、前記蓄電部の出力により、時刻表示を行う時計表示部と、を備えることを特徴とする。
本発明における発電システムおよび携帯型時計は、発電部の定格発電状態において、降圧電圧および蓄電電圧が一致し、降圧電圧が放電カーブにおける変曲点より高電圧側に存在する最大曲率を有する第１の曲率点と、変曲点より低電圧側に存在する最大曲率を有する第２の曲率点の間の領域に対応する蓄電電圧に基づいているので、降圧部を介して、発電部から出力を効率良く蓄電部に充電することができるという効果を奏する。
図１は、実施形態における携帯型時計を示す図である。 図２は、実施形態における携帯型時計の断面図である。 図３は、実施形態における発電システムのブロック図である。 図４は、発電部本体の概略構成例を示す図である。 図５は、発電部本体の発電動作の説明図である。 図６は、動力発生部動作の周期と静電誘導型発電器の相対回転量との関係（平均）を示す図である。 図７は、動力発生部動作の周期と静電誘導型発電器の相対回転量との関係を示す図である。 図８は、発電部の発電電圧と発電電流との関係を示す図である。 図９は、発電部の発電電圧と電力との関係を示す図である。 図１０は、降圧部のブロック図である。 図１１は、降圧部の動作説明図である。 図１２は、降圧部の動作説明図である。 図１３は、蓄電部の放電カーブを示す図である。 図１４は、蓄電部と降圧部との入出力電圧関係を示した図である。
以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
〔実施形態〕
図１は、実施形態における携帯型時計を示す図である。図２は、実施形態における携帯型時計の断面図である。図３は、実施形態における発電システムのブロック図である。図４は、発電部の概略構成例を示す図である。図５は、発電部本体の発電動作の説明図である。図６は、動力発生部動作の周期と静電誘導型発電器の相対回転量との関係（平均）を示す図である。図７は、動力発生部動作の周期と静電誘導型発電器の相対回転量との関係を示す図である。図８は、発電部の発電電圧と発電電流との関係を示す図である。図９は、発電部の発電電圧と電力との関係を示す図である。図１０は、降圧部のブロック図である。図１１は、降圧部の動作説明図である。図１２は、降圧部の動作説明図である。図１３は、蓄電部の放電カーブを示す図である。
図２におけるＸ方向は携帯型時計の径方向であり、Ｚ方向は携帯型時計の上下方向であり、Ｚ１は上方向、Ｚ２は下方向である。
図４は、発電部２の回転部材２１２、対向基板２１３と充電ブロック３に含まれる機器を一部省略した図を示した図である。
図６および図７は、発電部２の機械的固有周期Ｔｅｊと発電量を相対的に示す相対回転量Ｋを示した図であり、図７は被験者毎に測定した実測値であり、図６は図７における全被験者の平均である。また、相対回転量Ｋは図６の機械的固有周期Ｔｅｊが１ｓｅｃ時における相対回転量Ｋを１００としたときの比率を示したものである。
図８は、発電部の発電電圧と発電電流との関係を示す図であり、横軸が発電部２の発電電圧Ｖｅｊ、縦軸が発電部２の発電電流Ｉｅｊを示す。
図９は、発電部の発電電圧と発電電力との関係を示す図であり、横軸が発電部２の発電電圧Ｖｅｊ、縦軸が発電電圧Ｖｅｊと発電電流Ｉｅｊの積で求めた発電電力Ｗを示す。
図１１および図１２は、図１０のスイッチＳ１〜２２を省略した図であり、各降圧部５１，５２の動作状態を示す。
図１３は蓄電部の放電カーブを示す図であり、横軸は蓄電容量Ｃｂ、縦軸は蓄電電圧Ｖｂを示す。また、放電カーブＰは蓄電部７の蓄電容量Ｃｂに対する蓄電電圧Ｖｂの変化を示している。
実施形態にかかる発電システム１は、携帯型時計１００に搭載されている。携帯型時計１００は、図１に示すように、ユーザー２００が身につけた状態で歩行など移動することで、振動が発生するものである。携帯型時計１００は、図２および図３に示すように、外装ケース１１０と、ハウジング１２０と、時計表示部１３０と、減速機構１４０と、モータ１５０と、制御部１６０と、動力発生部２２と、発電システム１とを備える。
外装ケース１１０は、図２に示すように、金属材料、例えば、チタンやチタン合金などで構成されており、携帯型時計１００の最外郭を構成するものである。外装ケース１１０は、本体部１１１と、風防１１２と、裏蓋１１３とを有する。本体部１１１は、円環状に形成されており、収容空間部Ｓを構成するものである。本体部１１１は、上下方向において開口部を有し、上側開口部を例えば、ガラスや透明樹脂などの透過性を有する材料により構成された風防１１２がパッキン１１４を介して閉塞し、下側開口部を外装ケース１１０と同様な材料により構成された裏蓋１１３が閉塞することで、収容空間部Ｓを閉塞空間とする。収容空間部Ｓには、ハウジング１２０、時計表示部１３０、減速機構１４０、モータ１５０、制御部１６０、動力発生部２２と、発電システム１が収容されている。
ハウジング１２０は、収容空間部Ｓに収容された機器が固定されるものである。ハウジング１２０は、図２に示すように、地板１２１と、受け板１２２とを有する。本実施形態におけるハウジング１２０は、金属材料または樹脂材料で構成されており、収容空間部Ｓにおいて、地板１２１が下側に位置し、受け板１２２が上側に位置し、上下方向において対向する。
時計表示部１３０は、時計内部時刻をユーザーに認識させる表示を行うものである。本実施形態における時計表示部１３０は、図２および図３に示すように、アナログ表示式であるが、デジタル表示式であってもよい。時計表示部１３０は、文字板１３１と、分針１３２と、時針１３３とを有する。文字板１３１は、円盤状に形成されており、地板１２１に固定されている。文字板１３１は、図１に示すように、インデックス１３１ａを有する。インデックス１３１ａは、分針１３２および時針１３３との相対位置により、ユーザーに対して各針１３２，１３３より表示時刻を認識させるものである。インデックス１３１ａは、文字板１３１に対して周方向に等間隔に形成されている。各針１３２，１３３は、文字板１３１の上方向側、例えば文字板１３１の中心において同軸上を回転する。各針１３２，１３３は、文字板１３１上のインデックス１３１ａに対する相対位置により、分針１３２は表示時刻のうち「分」を指し、時針１３３は表示時刻のうち「時」を指すものである。本実施形態における各針１３２，１３３は、径方向において文字板１３１の中心からの長さが分針１３２よりも時針１３３が短く形成されている。なお、時計表示部１３０は、秒針や日板などを有することで、表示時刻のうち「秒」および「日」を指すようにしてもよい。
減速機構１４０は、図２および図３に示すように、各針１３２，１３３にモータ１５０が発生した駆動力を伝達し、それぞれを回転させるものである。本実施形態における減速機構１４０は、減速輪列であり、地板１２１に対して回転自在に支持された複数の車により構成されている。減速機構１４０は、図示しない入力車の歯がモータ１５０の回転軸に固定された車の歯とかみ合っており、図示しない分針用出力車の歯が図示しない分針車の歯とかみ合っていることで、モータ１５０が回転すると、分針１３２を回転させるものである。また、減速機構１４０は、図示しない時針用出力車が図示しない時針車の歯とかみ合っていることで、モータ１５０が回転すると、時針１３３を回転させるものである。減速機構１４０は、モータ１５０の回転数と、分針車の回転数とを所定の分針減速比とし、モータ１５０の回転数と、時針車の回転数とを所定の時針減速比とするものである。ここで、本実施形態における分針減速比は分針１３２が６０分で１回転する減速比であり、時針１３３が７２０分で１回転する減速比である。
モータ１５０は、図２および図３に示すように、各針１３２，１３３を回転させるものである。本実施形態におけるモータ１５０は、電磁誘導を利用したモータ、例えばステッピングモータである。モータ１５０は、図示しないステータと、ロータ、コイルとを備える。モータ１５０は、制御部１６０と接続されており、制御部１６０により生成された駆動パルスが印加されることで発生した誘導起電力により、ステータに対して図示しない永久磁石が搭載されたロータを回転、例えば１８０度回転させることで、電力を駆動力としての回転力に変換するものである。モータ１５０は、制御部１６０からの駆動信号に基づいて、蓄電部７からの電力により駆動するものである。
制御部１６０は、図３に示すように、モータ１５０の駆動制御および発電システム１による充電制御を行うものである。ここで、制御部１６０は、図示しない計時部に計時されている時計内部時刻に基づいて、分針１３２、時針１３３が時計内部時刻に対応した表示時刻となるように、駆動パルスをモータ１５０に出力し、分針１３２、時針１３３を正回転方向（時計周り方向）に回転させ、表示時刻を時計内部時刻に対応させるものである。本実施形態における制御部１６０は、図示しない制御回路であり、後述するタイミング生成部８の発振回路よりも周波数制度の高い発振回路、分周回路、駆動回路などを含んで構成されている。制御部１６０は、受け板１２２の上方向側に固定されている回路基板１８１に実装される電子機器により構成されている。なお、制御部１６０は要求される機能を達成することができればよく、そのハードウェア構成は、周知のマイクロコンピュータのハードウェア構成と同一あるいはほぼ同一である。また、制御部１６０は、タイミング生成部８と電気的に接続されており、タイミング生成部８を制御するものでもある。制御部１６０は、例えば、蓄電部７の充電状態が過充電の場合に、停止信号をタイミング生成部８に出力し、タイミング信号の生成を停止させ、降圧部５の動作を停止する。
発電システム１は、図３に示すように、発電部２と、充電ブロック３とを備え、発電部２が発電し、発電部２の出力は充電ブロック３経て、後述する蓄電部７に充電するシステムである。発電部２は、発電本体部２１と、動力発生部２２とを備える。発電部２は、第一車２５および第二車２７を含む増速機構を経由した動力発生部２２で発生した動力、すなわち回転力により回転して発電するものである。充電ブロック３は、整流部４と、降圧部５と、逆流防止部６と、蓄電部７と、タイミング生成部８とを備える。
本実施形態における動力発生部２２は、機械式時計の動力ぜんまいに動力を蓄積する回転錘と同様に、ユーザーの移動などの運動によって動作するものである。ユーザーの運動によって発生した動力発生部２２の回転動力は、第一車２５、第二車２７を介して発電本体部２１に伝達される。また、第一車２５、第二車２７の歯車径を調整することによって発電本体部２１の回転速度を変化させることができる。
発電本体部２１は静電誘導型発電器であり、回転部材２１１と、回転部材２１１に設けられた帯電膜２１２と、帯電膜２１２と対向して配置された対向基板２１３と、帯電膜２１２と対向し、対向基板２１３に設けられた対向電極２１４，２１５とを有し、外力発生部２２から伝達された回転動力によって回転部材２１１が回動することによって帯電膜２１２と、対向電極２１４，２１５とが相対運動し、回転動力を発電電力に変換する。
回転部材２１１には回転中心に第二回転軸２６が固定されており、対向基板２１３に対して回転自在に支持される。回転部材２１１は、円板形状に形成されており、例えば、シリコン基板、帯電用の電極面が設けられたガラスエポキシ基板、あるいはアルミ板などの低比重材料といわれる基板材料で構成されている。
帯電膜２１２は、周方向において等間隔に形成されており、第二回転軸２６を中心として放射状に形成されている。帯電膜２１２は、エレクトレット材料で構成された薄膜である。各帯電膜２１２は、すべて同一の極性、本実施形態では負に帯電している。エレクトレット材料とは、ＣＹＴＯＰ（登録商標）などの樹脂材料、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）あるいはポリビニルオライド（ＰＶＦ）などの高分子材料、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）あるいはシリコン窒化物（ＳｉＮ）などの無機材料が用いられる。ここで、回転部材２１１は、周方向に隣り合う帯電膜２１２の間に切欠き２１１ａが形成されている。切欠き２１１ａは、回転部材２１の径方向外側から径方向内側に向かって切り欠かれる。つまり、回転部材２１１のうち、帯電膜２２が形成されている部分は、周方向に隣り合う切欠き２１１ａによりそれぞれ独立しており、それぞれが翼として機能する。
対向基板２１３は、ハウジング１２０に固定されており、発電本体部２１の帯電膜２１２は対向基板２１３と相対回転可能である。対向基板２１３は、例えば、円板形状に形成されており、ポリイミドなどのＦＰＣ基板、ガラスエポキシ基板などの基板材料で構成されている。本実施形態における対向基板２１３は、図２に示すように、地板１２１の上方向側に固定されている。対向基板２１３は、上下方向において回転部材２１１と対向する側の面、すなわち上面に対向電極２１４，２１５が形成されている。対向基板２１３は、図４に示すように、中心に回転部材２１２が挿入される挿入孔２１３ａが形成されている。なお、対向基板２１３は、回路基板１８１と別基板として構成されているが、これに限定されるものではなく、回転部材２１１に対する位置精度を確保することができれば、回路基板１８１と一体、すなわち１つの基板として構成されてもよい。
対向電極２１４，２１５は、周方向において等間隔に隣り合って交互にそれぞれ複数形成されており、対向基板２１３の挿入孔２１３ａを中心に放射状に形成されている。対向電極２１４，２１５は、上下方向から見た場合において、帯電膜２２と重なるように、対向基板２３に形成されている。対向電極２１４は、配線２１６と電極列を構成する。各対向電極２１５は、配線２１７と、電極列を構成する。各対向電極２１４，２１５は、それぞれ１つ電極列として整流部４と電気的に接続されている。ここで、各帯電膜２１２および各対向電極２１４，２１５は、それぞれの数が同一であり、周方向における幅も同一である。
次に、発電本体部２１による発電について図５を用いて説明する。
発電本体部２１は、回転部材２１１が回動することによって帯電膜２１２、対向電極２１４、２１５の相対関係が図５ａ、図５ｂの双方の状態を繰り返す。
図５ａでは、帯電膜２１２は対向電極２１４上に存在するため、静電誘導によって対向電極２１４には帯電膜２１２と逆の極性（ここではプラス）の電荷がチャージされる。
回転部材２１１が回動することによって、図５ａの状態から図５ｂの状態に遷移する。
図５ｂでは、帯電膜２１２は対向電極２１５上に存在するため、静電誘導によって対向電極２１５には帯電膜２１２と逆の極性（ここではプラス）の電荷がチャージされる。
一方、対向電極２１４上には帯電膜２１２は存在しないため、対向電極２１４にチャージされた電荷が放電される。
さらに回転部材２１１が回動することによって、図５ｂの状態から図５ａの状態に遷移する。
図５ａでは、帯電膜２１２は対向電極２１４上に存在するため、静電誘導によって対向電極２１４には帯電膜２１２と逆の極性（ここではプラス）の電荷がチャージされる。
一方、対向電極２１５上には帯電膜２１２は存在しないため、対向電極２１４にチャージされた電荷が放電される。
以上のように、回転部材２１１の回転によって、各対向電極２１４、２１５で電荷の充放電が繰り返され、発電がおこなわれる。
動力発生部２２は、発電を行うための動力を発生するものであり、本実施形態における動力発生部２２は、携帯型時計１００を身につけたユーザー２００が歩行など移動することで、携帯型時計１００が発生する振動により、回転することで、動力として回転動力を発生する回転錘である。
動力発生部２２は、地板１２１の下方向側に配置されており、第一回転軸２３が固定されている。第一回転軸２３は、軸受け１８２により受け板１２２に対して回転自在に支持されている。
第一回転軸２３は、上方向側端部が地板１２１と受け板１２２との間に突出しており、上方向側端部に第一車２５が固定されている。第一車２５は、その歯が第二回転軸２６に固定された第二車２７の歯とかみ合っていることで、動力発生部２２が回転すると第二回転軸２６を回転させる。第一車２５と第二車２７は、増速機構であり、動力発生部２２の回転数と、回転部材２１１の回転数とを所定の増速比に調整することができる。
第二回転軸２６は、上下方向における両端部がそれぞれ軸受け１８３により上下方向が固定されており、地板１２１および受け板１２２に対して回転自在に支持され、第二回転軸２６は、発電本体部２１の回転部材２１１が固定されている。
なお、増速機構は、輪列機構で構成された機構に限定されるものではなく、動力発生部２２の回転数よりも大きい回転数で回転部材２１１を回転させるものであれば、カムクラッチ機構、ベルト機構などであってよい。また、動力発生部２２の回転方向のうち、一方向の回転のみに基づいて回転部材２１１を回転させてもよく、図示しない変換クラッチ機構により動力発生部２２の回転方向のうち、両方向の回転に基づいて回転部材２１１を回転させてもよい。
次に、発電部２の定格発電状態について説明する。
定格発電状態とは、発電部２が発電を行う場合において、最も効率よく発電できる状態であり、発電部２の機械的固有周期Ｔｅｊに基づいて定まる。
機械的固有周期Ｔｅｊは、外部振動により、回転部材２１１が対向基板２１３に対して最も相対回転しやすい周期であり、Ｔｅｊ＝２・π・√（ｊａ／ｍ・ｇ・ｌ）で定まる。
ｊａは、動力発生部２２から回転部材２１１までの負荷（発電本体部２１における回転負荷も含まれる）であり、本実施形態では例えば、第一車２５、第二車２７、回転部材２１における回転体における増速比、慣性モーメントをパラメータとして含む。
ｍは、動力発生部２２の質量であり、ｌは、動力発生部２２の回転中心から動力発生部２２の重心までの距離である。
つまり、ｍ・ｇ・ｌは、動力発生部２２に発生する重力トルクである。
図６および図７は、発電部２の機械的固有周期Ｔｅｊを変化させたときに４人の被験者Ａ〜Ｄに携帯型時計１００を身につけてもらった状態で被験者Ａ〜Ｄが移動した際の機械的固有周期Ｔｅｊの変化と相対回転量Ｋの変化との関係を実験したものであり、図７は被験者毎に測定した実測値であり、図６は図７における全被験者の平均である。
図６および図７に示すように、機械的固有周期Ｔｅｊが変化すると、回転部材２１１の対向基板２１３に対する相対回転量Ｋが変化する。
なお、図６および図７における機械的固有周期Ｔｅｊ＝０．５ｓｅｃ未満の領域は、腕に装着可能な携帯型時計１００の動力発生部２２を増速機構として整理させるのが困難であったり、ユーザー２００である被験者個々に対して等しく相対回転量Ｋを高めに保つことが難しい不安定な状態であるため、機械的固有周期Ｔｅｊを設定するうえで、考慮にいれず参考とする。
図６および図７に示すように、被験者Ａ〜Ｄ個々のグラフＱＡ〜ＱＤおよび平均のグラフＱにおいては、機械的固有周期Ｔｅｊが０．５ｓｅｃから１．０ｓｅｃの間に、相対回転量Ｋのピークが存在する。すなわち、ユーザー２００が携帯型時計１００を身につけて移動した際に、動力発生部２２が共振しやすくなっている。
図７に示すように、０．６ｓｅｃ以上となると、相対回転量Ｋが増加し始める被験者Ａ〜Ｄが多くなり、１．２ｓｅｃを越えると相対回転量Ｋが減少している被験者Ａ〜Ｄが多くなる。従って、機械的固有周期Ｔｅｊは、相対回転量Ｋのピークを含む、０．６ｓｅｃ以上１．２ｓｅｃ以下に設定されていることが好ましい。また、図７に示すように、０．８ｓｅｃ以上となると、０．６ｓｅｃと比較して被験者Ａ〜Ｄ全員の相対回転量Ｋが増加しており、１．０ｓｅｃ以下であると被験者Ａ〜Ｄ全員の相対回転量Ｋのピークが含まれる。従って、機械的固有周期Ｔｅｊは、相対回転量Ｋのピークを含む、０．８ｓｅｃ以上１．０ｓｅｃ以下に設定されていることがさらに好ましい。
また、図６に示すように、平均のグラフＱにおける被験者Ａ〜Ｄ全員の相対回転量のピークの平均が０．９４ｓｅｃである。従って、機械的固有周期Ｔｅｊは、相対回転量Ｋのピークである０．９４ｓｅｃに設定されていることがさらに好ましい。
つまり、定格発電状態とは、携帯型時計１００を身につけたユーザー２００が移動することで携帯型時計１００の周期が発電部２の設定された機械的固有周期Ｔｅｊと一致した状態をいう。
本実施形態における発電部２の定格発電状態における発電電圧Ｖｅｊは、発電部２の機械的固有周期Ｔｅｊにおいて、発電電圧Ｖｅｊと電力Ｗとに基づいて設定されている。
発電部２は、図８に示すグラフＪＡ〜ＪＣのように、対向基板２１３に対する回転部材２１１の相対回転量（相対回転量は、グラフＪＡ、グラフＪＢ、グラフＪＣの順で大きい）の増加に伴い発電電圧Ｖｅｊおよび発電電流Ｉｅｊが増加する。発電電圧Ｖｅｊとしては、無負荷状態で最大となる。
一方、発電部２は、図９に示すグラフＪＡ〜ＪＣのように、発電部２が発生する発電電力Ｗと発電電圧Ｖｅｊとの関係において、発電電力Ｗのピークが発電部２の無負荷状態における発電電圧Ｖｅｊとは対応していない。
発電電力Ｗのピークは、各グラフＪＡ〜ＪＣにおける中央部にあり、グラフＪＡ〜ＪＣごとに発電電力Ｗのピークに対応する電力ピーク発電電圧Ｖｊａ〜Ｖｊｃがある。発電電力がピーク時の発電電圧Ｖｊａ〜Ｖｊｃは、相対回転量（相対回転量は、グラフＪＡ、グラフＪＢ、グラフＪＣの順で大きい）の増加に伴い増加する。
つまり、発電部２は、最も効率よく発電できる定格状態において機械的固有周期Ｔｅｊになるように設定し、発電部２と充電部３が接続した状態で発電電圧Ｖｅｊが電力ピーク発電電圧Ｖｊａ〜Ｖｊｃのときに、最も電力効率が良い。
ここで最も効率よく発電できる発電電圧を電力ピーク発電電圧Ｖｅｊｐと定義する。
整流部４は、図３および図４に示すように、発電部２の出力を整流するものであり、発電部２と電気的に接続されている。本実施形態における整流部４は、発電本体部２１の交流出力を直流に変換する整流回路であり、例えば４個のダイオードで構成されるブリッジ式回路である。整流部４は、回路基板１８１に実装される電子機器により構成されている。
降圧部５は、図３、図１０に示すように、発電部２および蓄電部７と電気的に接続され、発電部２の発電電圧Ｖｅｊを蓄電部７に入力する際の入力電圧、すなわち降圧電圧Ｖｓｂまで降圧するものである。本実施形態における降圧部５は、整流部４を介して発電部２と電気的に接続され、逆流防止部６を介して蓄電部７と接続されている。降圧部５は、１を越える降圧倍率Ｘが設定されており、発電電圧Ｖｅｊを降圧倍率Ｘで除算した値が降圧電圧Ｖｓｂとなり、本実施形態では降圧倍率が６倍（Ｘ＝６）とする。降圧部５は、降圧回路であり、回路基板１８１に実装されている複数のキャパシタＣ１〜Ｃ６の接続状態を直列と並列とに切り替えることで、降圧部５における入力電圧、すなわち発電電圧Ｖｅｊを低い電圧に変換するものである。
降圧部５は、第一降圧部５１と第二降圧部５２とを有しており、第一降圧部５１は、発電電圧Ｖｅｊを１／２にするものであり、整流部４に対して２つのキャパシタＣ１，Ｃ２が並列に電気的に接続されている。キャパシタＣ１は、整流部４との間に例えばＭＯＳトランジスタなどのスイッチＳ１，Ｓ２がそれぞれ配置され、第二降圧部５２との間にスイッチＳ３，Ｓ４がそれぞれ配置されている。
キャパシタＣ２は、整流部４との間に例えばＭＯＳトランジスタなどのスイッチＳ５，Ｓ６がそれぞれ配置され、第二降圧部５２との間にスイッチＳ７，Ｓ８がそれぞれ配置されている。
第二降圧部５２は、第一降圧部５１の出力電圧を１／３にするものであり、第一降圧部５１に対して一方のキャパシタ群（キャパシタＣ３，Ｃ４）と、他方のキャパシタ群（キャパシタＣ５，Ｃ６）が並列に電気的に接続されている。
キャパシタＣ３は、第１降圧部５１とグラウンドとの間にスイッチＳ９，Ｓ１０がそれぞれ配置され、蓄電部７との間にスイッチＳ１１が配置されている。
キャパシタＣ４は、キャパシタＣ３の片端とグラウンドとの間にスイッチＳ１２，Ｓ１３がそれぞれ配置され、蓄電部７との間にスイッチＳ１４，Ｓ１５がそれぞれ配置されている。
キャパシタＣ５は、第１降圧部とグラウンドとの間にスイッチＳ１６，Ｓ１７がそれぞれ配置され、蓄電部７との間にスイッチＳ１８が配置されている。キャパシタＣ６は、Ｃ５の片端とグラウンドとの間にスイッチＳ１９，Ｓ２０がそれぞれ配置され、蓄電部７との間にスイッチＳ２１，Ｓ２２がそれぞれ配置されている。
つまり、降圧部５は、第一降圧部５１で１／２に降圧した発電電圧Ｖｅｊを第二降圧部５２でさらに１／３とすることで、発電電圧Ｖｅｊを１／６とするものである。
各スイッチＳ１〜Ｓ２２は、タイミング生成部８により生成されたタイミング信号Ｔに基づいてＯＮ／ＯＦＦを切り替えるものである。
ここで、タイミング信号Ｔに基づいた降圧部５の動作について説明する。タイミング信号Ｔは、スイッチＳ１，Ｓ４，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ９，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ２０，Ｓ２１（以下、単に「Ｓ１〜Ｓ２１」と称する）のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するタイミング信号Ｔ１と、スイッチＳ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ８，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１３，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ２９，Ｓ２２（以下、単に「Ｓ２〜Ｓ２２」と称する）のＯＮ／ＯＦＦ状態を制御するタイミング信号Ｔ２と有し、降圧部５を第一降圧状態および第二降圧状態に切り替える。
第一降圧状態では、タイミング信号Ｔ１がＯＮ，タイミング信号Ｔ２がＯＦＦであり、スイッチＳ１〜Ｓ２１がＯＮ状態およびスイッチＳ２〜Ｓ２２がＯＦＦ状態となり、図１１に示すように、第一降圧部５１におけるキャパシタＣ１が放電状態、キャパシタＣ２が充電状態、第二降圧部５２におけるキャパシタＣ５，Ｃ６が放電状態、キャパシタＣ３，Ｃ４が充電状態となる。
第二降圧状態では、タイミング信号Ｔ１がＯＦＦ，タイミング信号Ｔ２がＯＮであり、スイッチＳ１〜Ｓ２１がＯＦＦ状態およびスイッチＳ２〜Ｓ２２がＯＮ状態となり、図１２に示すように、第一降圧部５１におけるキャパシタＣ１が充電状態、キャパシタＣ２が放電状態、第二降圧部５２におけるキャパシタＣ５，Ｃ６が充電状態、キャパシタＣ３，Ｃ４が放電状態となる。
逆流防止部６は、蓄電部７の蓄電電圧Ｖｂが降圧部５の出力電圧、すなわち降圧電圧Ｖｓｂよりも高い場合に、蓄電部７から降圧部５に対して電流が流れることを防止するものであり、降圧部５に電気的に接続されている。本実施形態における逆流防止部６は、例えば回路基板１８１や、降圧部５を含むＩＣ内部に設けられた逆流防止ダイオードやなどである。
蓄電部７は、少なくとも発電部２の出力を充電するものであり、図３に示すように、逆流防止部６と電気的に接続されている。
本実施形態における蓄電部７は、充放電が可能な２次電池であり、地板１２１に固定されている。ここで、蓄電部７は、図１３に示すように、蓄電部７の蓄電電圧Ｖｂ〔Ｖ〕および蓄電容量Ｃｂ〔ｍＡｈ〕に関する放電カーブＰのような特性を有する。
放電カーブＰは、蓄電容量Ｃｂ〔ｍＡｈ〕に対する蓄電電圧Ｖｂ〔Ｖ〕の変化特性を示す曲線であり、蓄電部７である２次電池の種類や容量に応じて多少異なるが、蓄電容量Ｃｂが大きい側から小さい側に向かって、傾斜が急な傾斜領域と、緩やかな傾斜領域と、急な傾斜領域とで構成されている。
変曲点Ｐ０は放電カーブＰを２回微分して求めた点であり、緩やかな傾斜領域に存在している。曲率点Ｐ１は、放電カーブＰ上で変曲点Ｐ０から高電圧側に存在する最大曲率を有するところの第１の曲率点であり、緩やかな傾斜領域と急な傾斜領域との境界に存在している。曲率点Ｐ２は放電カーブＰ上で変曲点Ｐ０から低電圧側に存在する最大曲率を有するところの第２の点であり、同様に緩やかな傾斜領域と、急な傾斜領域との境界に存在している。
ここで、携帯型時計１００においては、蓄電部７に対する利用できる電圧範囲である利用電圧範囲Ｄが設定されている。利用電圧範囲Ｄは、利用上限値Ｖｂ１と利用下限値Ｖｂ２との間の範囲（Ｖｂ１＞Ｖｂ２）となる。
利用上限値Ｖｂ１は、利用上限値を超える蓄電電圧Ｖｂで蓄電部７が充電されると、過充電と判断されるしきい値であり、例えば、３．０Ｖであり、蓄電部７が過充電と判断されるしきい値以上になった場合は、降圧部５の動作を停止し、利用上限値Ｖｂ１以上の充電を行えないようにする。
利用下限値Ｖｂ２は、例えば、発電部２の発電状態に拘わらず設定される値であり、例えば２．３９Ｖである。
中央蓄電電圧Ｖｂ３は、蓄電電圧Ｖｂの利用電圧範囲Ｄに対応する蓄電容量範囲Ｅの中央となる中央蓄電容量Ｃｂ３に対応した電池電圧であり、携帯型時計１００を利用している上で最も多く発生する電池電圧あり、曲率点Ｐ１、曲率点Ｐ２間で変曲点Ｐ０に近い電圧であることが望ましく、例えば、２．５Ｖである。
タイミング生成部８は、降圧部５の複数のキャパシタＣ１〜Ｃ６の接続状態を直列と並列とに切り替えるためのタイミング信号を生成するものであり、整流部４および降圧部５と電気的に接続されている。タイミング生成部８は、図３に示すように、定電圧回路８１と、発振回路８２とを有し、回路基板１８１に実装して構成されている。
定電圧回路８１は、発電部２の出力が整流部４に入力され、整流部４の出力がタイミング生成部８に入力されると、発電部２の発電電圧Ｖｅｊから低い所定電圧に出力するものである。
定電圧回路８１は、所定電圧を発振回路８２に供給し、低い所定電圧で発振回路８２を駆動することによって発振回路８２の消費電流を低減する。
発振回路８２は、定電圧回路８１の出力によって発振信号を生成するものである。
タイミング生成部８は、発振回路８２により生成された発振信号に基づいてタイミング信号Ｔを生成し、降圧部５に出力する。タイミング生成部８は、発振信号に基づいた切り替え周波数により、タイミング信号Ｔ１，Ｔ２が交互にＯＮ／ＯＦＦとなるタイミング信号Ｔを生成する。
従って、降圧部５は、発電部２が発電している場合に、切り替え周波数に基づいて第一降圧状態および第二降圧状態が交互に切り替えられ、発電部２の発電電圧Ｖｅｊを蓄電部７の降圧電圧Ｖｓｂまで降圧する。
次に、発電システム１の動作について説明する。携帯型時計１００を身につけたユーザー２００が移動することで、携帯型時計１００に振動が発生し、図３に示すように、振動に基づいて動力発生部２２が回転することで、回転部材２１１が回転することで、帯電膜２１２と対向電極２１４，２１５とが相対回転し、発電本体部２１が発電する。
発電本体部２１が発生する電力、すなわち発電部２の出力は、充電ブロック３の整流部４において交流から直流に変換される。このとき、発電部２の出力は、タイミング生成部８にも入力され、タイミング生成部８においてタイミング信号Ｔが生成され、降圧部５に出力され、降圧部５において第一降圧状態と第二降圧状態とが交互に切り替えられる。
発電部２の発電電圧Ｖｅｊは、降圧部５において降圧倍率Ｘに基づいて降圧され、本実施形態では発電電圧Ｖｅｊが１／６の電圧に降圧され、この降圧された電圧が降圧部５と電気的に接続された蓄電部７の降圧電圧Ｖｓｂとなる。
なお、降圧部５と蓄電部７との間には、逆流防止部６が介在しているため、発電電圧Ｖｅｊを降圧倍率Ｘで除算した電圧が降圧電圧Ｖｓｂとはならないが、本実施形態では発電電圧Ｖｅｊを降圧倍率Ｘで除算した電圧が降圧電圧Ｖｓｂであるとする。
発電部２の出力は、降圧部５において発電電圧Ｖｅｊが降圧され降圧電圧Ｖｓｂとなった状態で、蓄電部７において入力され、蓄電部７が充電される。
図１４は、蓄電部と降圧部との入出力電圧関係を示した図であり、領域Ａは蓄電部の放電カーブを示す図であり、図１３の蓄電電圧Ｖｂの軸と蓄電容量Ｃｂの軸を入れ替えた図であり、領域Ｂは図９の発電部２の発電電圧Ｖｅｊと電力Ｗとの関係を示す図を降圧部５で降圧した図であり、グラフＪＡ′、グラフＪＢ′、グラフＪＣ′は図９のグラフＪＡ、グラフＪＢ、グラフＪＣの発電電圧Ｖｅｊを降圧倍率Ｘで除した降圧部５の出力であり、Ｖｓａ、Ｖｓｂ、ＶｓｃはグラフＪＡ′、グラフＪＢ′、グラフＪＣ′の発電電力Ｗのピークに対応する降圧電圧Ｖｓｄである。
本実施形態では蓄電部７の中央蓄電電圧Ｖｂ３と電力ピーク降圧電圧Ｖｓｂを一致するように設定しており、発電部２の定格発電状態時に最も発電効率が良い電圧（Ｖｓｂ）が時計１００を利用している上で最も多く発生する電池電圧（Ｖｂ３）と等しいため、時計１００の発電効率を高めることができる。
また、図１４のグラフＪＡ′の相対回転量が多い（発電量が多い）状態において降圧回路５の降圧電圧Ｖｓｄは利用上限値Ｖｂ１よりも高い電圧を有しており、中央蓄電電圧Ｖｂ３時より充電効率は劣るが、利用電圧範囲Ｄの利用上限値Ｖｂ１まで充電することが可能である。
さらに、図１４のグラフＪＣ′の相対回転量が少ない（発電量が少ない）状態において降圧回路５の降圧電圧Ｖｓｄは利用下限値Ｖｂ２よりも高い電圧を有しており、中央蓄電電圧Ｖｂ３時より充電効率は劣るが、利用電圧範囲Ｄの利用下限値Ｖｂ２まで充電することが可能であり、発電部２の発電量が変動しても充電を行うことは可能である。
また、上記のようにグラフＪＢ′における電力ピークの降圧電圧Ｖｓｂは中央蓄電電圧Ｖｂ３と一致させるのが望ましいが、図１３に示すように、放電カーブＰにおける傾斜が緩い領域である曲率点Ｐ１と曲率点Ｐ２との間であれば、中央蓄電電圧Ｖｂ３からの電圧変動も小さく、良好な充電効率を得ることができる。
次に、各パラメータを具体的な数字で示して説明を行う。
図６の結果から発電部２の機械的固有周期Ｔｅｊは０．９４Ｓが望ましく、増速機構の増速比が１８０倍とすると、定格発電状態における回転部材２１１の回転数は、約１９０ｒｐｓとなる。
回転部材２１１の回転数１９０ｒｐｓの発電部２の発電電圧Ｖｅｊと電力Ｗとの関係は図９に示すような特性を示し、回転部材２１１の回転数１９０ｒｐｓの電力ピーク発電電圧Ｖｊｂを１５Ｖとすると降圧部５での降圧倍率Ｘは６であることから図１４に示すＶｓｂは２．５Ｖとなる。
蓄電部７は図１３のような特性であり、Ｖｂ１が３．０Ｖ、Ｖｂ２が２．３９Ｖ、Ｖｂ３が２．５Ｖであり、グラフＪＢ′における電力ピークの降圧電圧Ｖｓｂと中央蓄電電圧Ｖｂ３を一致させることができる。
ここで、図１３で示した変曲点Ｐ０を含む曲率点Ｐ１と曲率点Ｐ２との間の緩やかな傾斜領域における蓄電電圧Ｖｂを蓄電電圧Ｖｂｅとすると、発電システム１においては、降圧電圧Ｖｓｂと蓄電電圧Ｖｂｅとを一致するように、発電部２および充電ブロック３が構成されている。本実施形態においては、降圧電圧Ｖｓｂと蓄電電圧Ｖｂｅとを一致させるように、発電部２における増速機構の増速比が設定されている。なお、降圧電圧Ｖｓｄと蓄電電圧Ｖｂｅとを一致させるために調整できるパラメータとしては、増速機構の増速比のみならず、降圧部５の降圧倍率Ｘ、増速機構を構成する回転体の慣性モーメント、動力発生部２２の慣性モーメント、発電部２における電極数、帯電膜２２と対向電極２４，２５との距離などがある。このとき、動力発生部２２の慣性モーメントは、発電部２の発電量に起因するため、他のパラメータを優先して調整することが好ましい。
以上のように、本実施形態における発電システム１および携帯型時計１００は、降圧電圧Ｖｓｂと、曲率点Ｐ１、Ｐ２間の緩やかな傾斜領域に対応する蓄電電圧Ｖｂｅと一致する。降圧電圧Ｖｓｂは、電力ピーク発電電圧Ｖｅｊｐに基づくものであるため、発電部２は電力効率が良い発電状態である。一方、曲率点Ｐ１、Ｐ２間の傾斜領域は、図１３に示すように、蓄電電圧Ｖｂの利用範囲Ｄ、すなわち発電システム１を搭載した装置、ここでは携帯型時計１００の通常使用時において蓄電部７が充放電可能な領域である。また、曲率点Ｐ１、Ｐ２間の傾斜領域は、蓄電容量Ｃｂの変化に対して蓄電電圧Ｖｂの変化が少ない領域であり、蓄電容量Ｃｂが変化しても蓄電電圧Ｖｂは大きく変化せず（数十ｍＶ〜百数十ｍＶ程度）、蓄電電圧Ｖｂがある程度一定の領域である。従って、曲率点Ｐ１、Ｐ２間の傾斜領域内の蓄電電圧Ｖｂｅが降圧電圧Ｖｓｂと一致していることで、通常使用時にて、例えば発電部２の発電量が変化した場合や、蓄電電圧Ｖｂが変化した場合においても、降圧部５を介して、発電部２の出力を効率良く蓄電部７に充電することができる。
なお、本実施形態における発電システム１および携帯型時計１００は、降圧電圧Ｖｓｂと、蓄電電圧Ｖｂのうち、利用範囲Ｄに対応する蓄電容量範囲Ｅ（図１３に示すように、蓄電容量上限値Ｃｂ１と蓄電容量下限値Ｃｂ２との間の範囲）の中央となる中央蓄電容量Ｃｂ３に対応する中央蓄電電圧Ｖｂ３（＝Ｖｂｅ）と一致してもよい。この場合は、降圧電圧Ｖｓｂと、蓄電電圧Ｖｂの利用範囲Ｄに起因する中央蓄電電圧Ｖｂ３とが一致している。
なお、電力ピーク降圧電圧Ｖｓｂは、温度変化に応じて変化するものではあるが、携帯型時計１００のような通常使用温度範囲（−１０度〜６０度）での変化は少ない。しかしながら、降圧部５を介して、発電部２の出力をさらに効率良く蓄電部７に充電するために、発電システム１および携帯型時計１００は、常温からユーザーの体温の範囲（２５度〜３７度）において、降圧電圧Ｖｓｂと蓄電電圧Ｖｂｅとを一致することが好ましい。
本実施形態における発電システム１は、携帯型時計１００に搭載される場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ユーザーが身につけた状態で歩行などの移動を行うことで、振動が発生し、振動に基づいて静電誘導型発電器が発電するものであれば、スマートフォン、タブレット端末、ウェアラブル端末などの携帯型機器であってもよい。
１ 発電システム
２ 発電部
２１ 発電本体部
２１２ 帯電膜
２１４，２１５ 対向電極
２２ 動力発生部
３ 充電ブロック
４ 整流部
５ 降圧部
６ 逆流防止部
７ 蓄電部
８ タイミング生成部
１００ 携帯型時計
１１０ 外装ケース
１２０ ハウジング
１３０ 時計表示部
１４０ 減速機構
１５０ モータ
１６０ 制御部
２００ ユーザー
Ｐ 放電カーブ

Claims (5)

  1. 帯電膜と対向電極との相対回転により発電する発電本体部と、前記帯電膜と前記対向電極とを相対回転させる動力を発生する動力発生部とを有する発電部と、
    少なくとも前記発電部の出力を充電する蓄電部と、
    前記発電部および前記蓄電部と電気的に接続され、かつ前記発電部の発電電圧を降圧電圧まで降圧する降圧部と、
    を備え、
    前記蓄電部は、蓄電電圧および蓄電容量に関する放電カーブにおいて、
    変曲点と、
    前記変曲点より高電圧側に存在する最大曲率を有する点である第１の曲率点と、
    前記変曲点より低電圧側に存在する最大曲率を有する点である第２の曲率点と、
    を有し、
    前記発電部の定格発電状態において発電電圧に、前記降圧部における降圧倍率を除算した降圧電圧は、
    前記蓄電部の前記第１の曲率点と前記第２の曲率点の間の領域に対応する蓄電電圧と一致する、ことを特徴とする発電システム。
  2. 前記定格発電状態とは、前記発電部における機械的固有周期にて、前記発電部が動作している状態である、
    請求項１に記載の発電システム。
  3. 前記機械的固有周期は、０．６秒〜１．２秒の間である、
    請求項２に記載の発電システム。
  4. 前記降圧電圧は、
    前記蓄電電圧のうち、前記蓄電部の出力を利用する範囲である利用範囲に対応する前記蓄電容量範囲の中央となる中央蓄電容量に対応する中央蓄電電圧と一致する、
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電システム。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電システムと、
    前記蓄電部の出力により、時刻表示を行う時計表示部と、
    を備えることを特徴とする携帯型時計。
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