JP5790584B2 - 振動発電素子 - Google Patents

Description

本発明は、外部振動により発電を行う振動発電素子に関する。

昨今の省エネルギーの流れから、化石燃料等に依存しない日常的に存在する環境エネルギーが注目されている。環境エネルギーとして太陽光や風力等による発電エネルギーは広く知られているが、これらに劣らないエネルギー密度を有する環境エネルギーとして、日常周囲に存在する振動エネルギーを挙げることができる。

そして、この振動エネルギーを利用して発電を行う振動発電装置が開発されており、その発電装置には電荷を半永久的に保持できるエレクトレットが広く利用されている（例えば、特許文献１を参照）。当該技術では、振動発電のための可動部材と固定部材との間に支持用の鋼球が配置されることで、可動部材と固定部材との間のギャップが保持される構成となっている。なお、横方向（移動方向と直交する方向）においては、可動部材と固定部材との間に支持用鋼球が挟まれて配置されるものの、可動部材および固定部材の寸法精度により、ある程度の動き代が存在する。

特開２０１１−１３５７１０号公報 国際公開第２００９／０５４２５１号パンフレット

エレクトレットと電極とを対向させた状態で相対的に移動させることで発電を行う場合、エレクトレットの並びに対する電極の並びの相対的な角度ずれ、すなわちアジマスが大きくなると、実質的なエレクトレットと電極の重なり面積が低下するため、外部振動による発電効率が低下してしまう。たとえ、固定部材および可動部材にエレクトレットや電極が適切に配置されていたとしても、可動部材の相対移動方向が、固定部材に設けられた電極等の並びに対してずれてしまうと、結果として、振動発電のための相対移動においてアジマスが大きくなってしまう。

そこで、従来技術に示すように、エレクトレット等の並びと相対移動方向のずれが生じないように、可動部材と固定部材の間の空隙に支持用の鋼球を配置する構成や、一方向に延在する溝に支持用の鋼球を配置する構成を採用することができる。しかし、従来技術に示す構成では、上記空隙を規定する可動部材や固定部材の寸法精度、上記溝の幅を規定する寸法精度等によって、相対移動におけるエレクトレットの並びと電極の並びとの間のアジマスを十分に補正することが難しい。また、上記空隙や溝を形成する必要があるため、振動発電素子の製造が煩雑なものとなる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、エレクトレットと電極とを対向させた状態で相対的に移動させることで発電を行う振動発電素子において、エレクトレットの並びと電極の並びとのずれ（アジマス）を可及的に低減する構成を提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、エレクトレットと電極とを対向させた
状態で相対的に移動させることで発電を行う振動発電素子において、可動部材と固定部材とを上下方向に支持する第一支持部に加えて、可動部材と固定部材との相対移動方向に沿って延在する筐体部の側方内壁面を利用して可動部材を支持する第二支持部を採用するとともに、第二支持部による支持を維持するために可動部材を側方内壁面に付勢する構成を採用した。このように素子の筐体部の内壁面を利用して相対移動に関する可動部材の支持を行うことで、簡便な構成により、エレクトレットの並びと電極の並びとのアジマスを可及的に低減することが可能となる。

そこで、詳細には、本発明は、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極からなる電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行う振動発電素子であって、前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、前記エレクトレット群と前記電極群のうち一方が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように前記筐体部内に収容される可動部材と、前記エレクトレット群と前記電極群との間の間隙を規定するように、前記筐体部内の底面に対して前記可動部材を相対移動可能に支持する第一支持部と、前記筐体部内の底面とともに前記相対移動方向を規定する前記筐体部の側方内壁面に対して、前記可動部材を相対移動可能となるように支持する第二支持部と、前記筐体部内の側方内壁面に対して前記可動部材を付勢し、相対移動時において前記第二支持部による該可動部材の支持状態を保持する支持保持部と、を備える。

本発明に係る振動発電素子では、エレクトレット群と電極群とが相対移動方向に外部振動によって変位することで、振動発電が行われる。ここで、エレクトレット群と電極群のうち何れかが固定部材に配置され、他方が可動部材に配置される。これらの両部材は、筐体部の内部に収容されるが、固定部材が、筐体部に対して固定される一方で、可動部材は、固定部材に対して相対移動可能となるように配置されることで、上記のエレクトレット群と電極群の振動発電のための相対移動が実現される。

ここで、振動発電素子の発電特性を決定する大きな要因として、エレクトレット群と電極群との間の間隙距離（以下、単に「間隙距離」という場合もある）と、固定部材と可動部材との相対移動におけるエレクトレットの並びと電極の並びとの角度ずれ（以下、単に「アジマス」という場合もある）が挙げられる。そこで、本発明に係る振動発電素子では、間隙距離については、第一支持部によって可動部材が筐体部内の底面に対して支持されることで、振動発電に好適な間隙距離が規定される構成となっている。なお、当該底面は、固定部材および可動部材が筐体部内に収容されたときに、これらの部材の自重が主に掛かる筐体部内の壁面の一つである。したがって、第一支持部による可動部材の支持については、常に、可動部材の自重の少なくとも一部が第一支持部を介して底面に掛かった状態となっている。

また、アジマスについては、上記底面とは別の筐体部の内壁面であって、可動部材の相対移動方向を当該底面とともに規定する側方内壁面に対して、第二支持部によって可動部材が支持されるとともに、支持保持部によって可動部材を側方内壁面に対して付勢することで、第二支持部による支持状態が保持される。この結果、固定部材に対する可動部材の相対移動は、筐体部内の底面と側方内壁面によって規定される方向（相対移動方向）とされるとともに、各面に対して可動部材を介して何らかの荷重（底面に対しては可動部材の自重の少なくとも一部、側方内壁面に対しては付勢力）が掛けられた状態が形成されることになる。したがって、可動部材は、底面および側方内壁面を確実に追従しこれらの面をガイドとして、固定部材に対して相対移動することが可能となり、以て、間隙距離の適切な維持とアジマス増加の抑制が実現される。

また、筐体部内の底面および側方内壁面は、ともに筐体部の内壁面の一部であることから、可動部材の相対移動に関するガイド機構を形成するにあたり、特別な構成を設ける必要がない。そのため、振動発電素子の構成をより簡便なものとでき、そのため振動発電素子の製造も容易となる。

ここで、上記の振動発電素子において、前記第二支持部による前記可動部材の支持が行われる前記側方内壁面を、前記振動発電素子の設置面を基準として下方に配置させるように前記筐体部を傾斜させる傾斜部を、更に備えるように構成してもよい。そして、前記支持保持部は、前記傾斜部によって前記筐体部を傾斜させることで、前記可動部材の自重により該可動部材を前記側方内壁面に対して付勢するように構成してもよい。

このように振動発電素子が傾斜部を備えることで、側方内壁面が下方に来るように筐体部を傾斜させ、可動部材の自重を第一支持部側だけでなく、第二支持部側にも配分することが可能となる。その結果、可動部材の自重を効率的に利用することで、可動部材を、底面および側方内壁面に確実に追従させ、アジマスを抑制しつつ固定部材に対して相対移動させることが可能となる。なお、傾斜部による筐体部の傾斜について、可動部材の自重により筐体部内の底面および側方内壁面に作用する力が、可動部材の相対移動に適した荷重となる範囲である限り、その傾斜角度は特に限定されない。

また、支持保持部による接触状態の保持に関して、別の形態も採用できる。例えば、上記の振動発電素子が、前記可動部材と前記筐体部との間に設けられた複数の弾性部材を、更に備える場合には、前記支持保持部は、前記複数の弾性部材によって前記可動部材に対して生じる弾性力の合力により、該可動部材を前記側方内壁面に対して付勢するように構成してもよい。すなわち、第二支持部による可動部材の支持状態を保持するために、複数の弾性部材を利用するものである。この場合、特に、可動部材が相対移動を行っている間、複数の弾性部材による付勢力が、常に、可動部材を側方内壁面に対して押圧する力となるのが好ましい。

また、上記のように複数の弾性部材を利用して可動部材に付勢力を作用させる場合、前記複数の弾性部材が、前記可動部材に対して一箇所の連結部を介して連結されるのが好ましい。仮に複数箇所の連結部を介して複数の弾性部材が可動部材に対して連結されると、その連結部の位置や各弾性部材の弾性力の大きさ等に応じて、可動部材に対して発電のための相対移動とは異なる相対移動である、可動部材の回転を生み出す回転力（モーメント）が作用しやすくなる。可動部材に回転力が作用すると、振動発電のための相対移動を阻害することになるため、発電効率の低下が避けられない。そこで、上記のように複数の弾性部材の連結部を一箇所とすることで、可動部材の回転による発電効率の低下を回避することが可能となる。

また、支持保持部による接触状態の保持に関して、更に別の形態も採用できる。例えば、前記支持保持部は、前記可動部材と前記側方内壁面との間に両者を接近させるように作用する所定の物理力により、該可動部材を該側方内壁面に対して付勢するように構成してもよい。所定の物理力とは、磁力、静電引力、物理的圧力、遠心力等が例示でき、可動部材の相対移動が阻害されない限りにおいて、様々な物理力を採用することができる。

ここで、上述までの振動発電素子において、前記振動発電に関連する、前記エレクトレット群に含まれる複数のエレクトレットと前記電極群に含まれる複数の電極との重なり面積が最大となるように、前記相対移動方向を規定する前記側方内壁面の形状に基づいて、該エレクトレット群における該複数のエレクトレットの並びと、該電極群における該複数の電極の並びとが決定されてもよい。振動発電素子の発電効率は、複数のエレクトレットと複数の電極との重なり面積が最大となる場合、最も好ましくは、複数のエレクトレット
の並びと複数の電極の並びとが一致し、アジマスが零となる場合、最大となる。そこで、相対移動方向を規定する側方内壁面の形状に基づいて、複数のエレクトレットの並びと電極の並びを決定することで、可及的に良好な発電効率を実現することが可能となる。特に、本発明に係る振動発電素子では、筐体部内の底面と側方内壁面に確実に追従した可動部材の相対移動が行われることから、上記のようにエレクトレットの並びと電極の並びが決定されることで、発電効率の更なる向上が期待される。

また、上述までの振動発電素子において、前記可動部材は、前記相対移動方向に沿って該可動部材が変位した際に、前記筐体部の内壁面であって該可動部材の該相対移動方向に位置する移動方向内壁面と接触する接触部を、該移動方向内壁面に対向する該可動部材の幅における中央部位に有するように構成してもよい。このように、接触部を可動部材の幅の中央部位に配置することで、仮に外部振動の結果、可動部材が最大振幅まで変位し移動方向内壁面に接触した場合に生じる可動部材の回転力について、可動部材の回転中心と回転力の作用点、すなわち接触部と移動方向内壁面の接触位置との距離を短くでき、以て、可動部材に作用する回転力を可及的に小さくすることができる。この結果、回転力による発電効率の低下を抑制することが可能となる。

また、上述までの振動発電素子において、前記第一支持部は、前記筐体部内の底面と前記可動部材との間に挟まれて配置される第一回転部材によって、該可動部材を転がり支持し、前記第二支持部は、前記側方内壁面と前記可動部材との間に挟まれて配置される第二回転部材によって、該可動部材を転がり支持するように構成してもよい。このように第一支持部における転がり支持と、第二支持部における転がり支持部とを独立した回転部材で構成することで、各回転部材でのすべりを可及的に抑制することが可能となる。なお、回転部材としては、鋼球や円柱状の部材等が利用できる。

また、各支持部での転がり支持を、鋼球を利用することで差動すべりが生じにくい構成とし、可動部材と固定部材との間の相対移動においてすべり摩擦を原理的に排除することができる。例えば、第二支持部による支持を以下のように構成することで、すべり摩擦の排除が期待できる。
（１）上述までの振動発電素子において、前記第二回転部材が球形状を有する鋼球である場合、前記支持保持部による支持状態の保持が行われている状態において、前記鋼球は、該鋼球の落下方向に対向する方向から該鋼球を支持する第一接触点と、該鋼球に対して前記第一方向とは反対側に位置する第二接触点を介して前記可動部材と接触するとともに、第三接触点を介して前記側方内壁面と接触し、そして、前記第一接触点、前記第二接触点、前記第三接触点を結んで形成される仮想三角形は、該第三接触点を頂点とする二等辺三角形としてもよい。
（２）上述までの振動発電素子において、前記第二回転部材は、球形状を有する鋼球である場合、前記支持保持部による支持状態の保持が行われている状態において、前記鋼球は、該鋼球の落下方向に対向する方向から該鋼球を支持する第一接触点を介して前記可動部材と接触するとともに、第二接触点を介して前記側方内壁面と接触し、そして、前記第一接触点、前記第二接触点を結ぶ仮想直線は、該鋼球の中心を通過するように構成されてもよい。

また、本発明を振動発電素子の組立方法の観点から捉えることも可能である。その場合、本発明は、外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極からなる電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行う振動発電素子の組立方法であって、前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部の外部から、該エレクトレット群と該電極群のうち一方が設けられた固定部材を、該エレクトレット群又は該電極群が該筐体部の内部を向く状態で該筐体部内に挿入する工程と、前記挿入の方向に沿って前記筐体部内の底面に対して所定の高さを有する位置に位置決めされた前記筐体
部側の突起部に、前記固定部材を突き当てた状態で、該固定部材を該筐体部に固定する工程と、前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が設けられた可動部材を支持し、該エレクトレット群と該電極群との間の間隙を規定する第一支持部を、前記筐体部の内部の底面上に配置する工程と、前記可動部材に設けられた前記エレクトレット群又は前記電極群が前記固定部材側を向くように、前記可動部材を前記第一支持部材の上に配置する工程と、前記筐体部内の底面とともに前記相対移動方向を規定する前記筐体部の側方内壁面と、前記可動部材との間に、該可動部材を相対移動可能となるように支持する第二支持部を配置し、該筐体部内の側方内壁面に対して該可動部材を、該第二支持部によって支持された状態で付勢する工程と、を含む。

エレクトレットと電極とを対向させた状態で相対的に移動させることで発電を行う振動発電素子において、エレクトレットの並びと電極の並びとのずれ（アジマス）を可及的に低減することが可能となる。

本発明の実施例に係る振動発電素子のエレクトレット群、および電極群の概略構成を示す図である。 本発明の第一の実施例に係る振動発電素子の上面図である。 図２に示す振動発電素子の第一の断面図である。 図２に示す振動発電素子の第二の断面図である。 図２に示す振動発電素子の設置状態を示す図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第一の図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第二の図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第三の図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第四の図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第五の図である。 図２に示す振動発電素子の組み立て過程を示す第六の図である。 本発明の第二の実施例に係る振動発電素子の上面図である。 本発明の第三の実施例に係る振動発電素子の上面図である。 本発明の第四の実施例に係る振動発電素子の上面図である。 本発明に係る振動発電素子における可動部材と側方内壁面との間の支持構造を示す第一の図である。 本発明に係る振動発電素子における可動部材と側方内壁面との間の支持構造を示す第二の図である。 本発明に係る振動発電素子における可動部材と側方内壁面との間の支持構造を示す第三の図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態に係る振動発電素子について説明する。なお、以下の実施形態の構成は例示であり、本発明はこの実施の形態の構成に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る振動発電素子１０の概略構成、特に、外部振動による振動発電を行う可動部材１と固定部材５のそれぞれに設けられたエレクトレット群１ａおよび電極群５ａの構成を示す。なお、図１においては、エレクトレットおよび電極が並べられる方向であって、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向をＸ方向、可動部材１と固定部材が対向する方向をＺ方向、Ｘ方向およびＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。そして、図１は振動発電素子１０をＺＸ平面で切断したときの断面図である。

振動発電素子１０において、可動部材１及び固定部材５は、後述する図２等に示す筐体１１の内部に収納される。可動部材１と、固定部材５は、互いに対向した状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されており、当該相対移動を可能とする可動部材１の支持構造については後述する。また、固定部材５は筐体１１に固定されている。これに対して、可動部材１は、その両端がそれぞれバネ１４によって筺体１１につながれているため（図２等を参照）、可動部材１そのものは、外部振動によって筐体１１に固定された固定部材５に対して相対的に往復運動（振動）するように構成されている。

なお、可動部材１と固定部材５は、互いに対向した状態で、かつ互いに平行な状態を保ったまま、つまり対向する面の間隔が一定の状態を保ったまま、相対的に移動可能に構成されている。これにより、可動部材１側のエレクトレット２の作用によって固定部材５側の一対の電極６、７に電気信号を生成することが可能となる。この電気信号の生成原理については従来技術であることから、本明細書ではその詳細な説明は割愛する。また、可動部材１と固定部材５との間の間隔を保持する構成、すなわち両者の円滑な相対移動を維持するための構成については後述する。

ここで、可動部材１側の構造について説明する。可動部材１は、可動基板１ｂ上に、エレクトレット群１ａが形成されている。このエレクトレット群１ａは、可動部材１における固定部材５との対向面側に設けられ、それぞれ導電体上に形成された複数のエレクトレット２と、いずれも接地されていない複数のガード電極４を含む。そして、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向（Ｘ方向）に沿って、エレクトレット２とガード電極４が交互に並ぶように配置されている。この複数のエレクトレット２と複数のガード電極４はそれぞれ櫛状に形成され、それぞれのエレクトレット２と、それぞれのガード電極４が入れ子状に配置されているが、上記のとおり、図１はＺＸ断面図であるため、エレクトレット２とガード電極４が交互に配置されているように図示される。本実施形態においては、エレクトレット２はマイナスの電荷を半永久的に保持するように構成されている。

なお、ガード電極４については、本実施形態では上記の通り接地させない構成を採用しているが、それに代えて接地させる構成を採用してもよい。

次に、固定部材５側の構造について説明する。固定部材５は、固定基板５ｂ上に、電極群５ａが形成されている。この電極群５ａは、固定部材５における可動部材１との対向面側に設けられ、一対の電極（第一電極６と第二電極７）を一組とする小電極群を複数組み含む。

このように構成される振動発電素子１０では、外部振動による複数のエレクトレット２を有する可動部材１の固定部材５に対する相対的な位置変動に起因して、電極６、７間に当該相対的位置変動（振動）に応じた起電力が生じ、発電が行われる。そして、発電された電力は整流器２０によって整流され、振動発電素子１０の出力となる。

図２、図３Ａ、図３Ｂに第一の実施例に係る振動発電素子１０の概略構成を示す。図２は、振動発電素子１０の上面図（ＸＹ平面における上面図）であり、図３Ａは、図２におけるＡ−Ａ断面図（ＺＹ平面における断面図）、図３Ｂは、図２におけるＢ−Ｂ断面図（ＺＸ平面における断面図）である。ただし、図２は、筐体１１の上面１１ｃが外され、その内部が上方より可視化された状態を表している。これらの図からも分かるように、電極群５ａおよび固定基板５ｂを含む固定部材５と、エレクトレット群１ａおよび可動基板１ｂを含む可動部材１は、振動発電素子１０の筐体１１に収容されている。当該筐体１１は、略直方体の形状を有し、上面１１ｃと底面１１ｂ、可動部材１の相対移動方向であるＸ方向に延在する一組の側面１１ａと、当該相対移動方向に直交する側面であってＹ方向に
延在する一組の側面１１ｄを有する。

そして、図３Ａに示すように、固定部材５は、電極群５ａが上方（筐体１１の内側）を向くようにして、筐体１１の底面１１ｂに固定されている。一方で、このように筐体１１に固定された固定部材５に対して、可動部材１は支持用鋼球１２を介して該固定部材５に対して相対移動が可能となるように支持されており、当該支持が、本発明に係る第一支持部による可動部材１の支持に相当する。具体的には、図３Ａ、図３Ｂに示すように、可動部材１のエレクトレット群１ａ側と底面１１ｂの内壁面との間に、可動部材１を支持可能な個数の支持用鋼球１２が配置される。すなわち、底面１１ｂの内壁面上に配置された複数の支持用鋼球１２の上に、更に可動部材１が配置される構成となっている。このように可動部材が支持用鋼球１２で支持された状態で、可動部材１側のエレクトレット群１ａと、固定部材５の電極群５ａとの間の間隔距離が、振動発電に適した所定の距離に規定される。

また、可動部材１については、固定部材５に対する相対移動において、固定部材５側に設けられた電極６、７の並びと、可動部材１側に設けられたエレクトレット２の並びとの間のアジマスを低減させるための更なる支持構造が採用されている。具体的には、可動部材１と側面１１ａの内壁面との間に更なる支持用鋼球１３が配置されている。なお、この支持用鋼球１３は、下方に落下しないように可動部材１側の構成により支持されているが、その詳細な構成については後述する。側面１１ａの内壁面と対向する、可動基板１ｂの側面の両端に端部側突起１ｄと、当該可動基板１ｂの側面の中央部分に中央突起１ｃが設置され、端部側突起１ｄと中央突起１ｃとの間に、支持用鋼球１３が配置可能な支持用溝１ｅが形成される。したがって、図２に示すように、可動部材１の左右それぞれに２つずつ、支持用溝１ｅが形成され、それぞれに支持用鋼球１３が配置される。このように可動部材１の側方において、筐体１１の内壁面との間に支持用鋼球１３を配置させることで、固定部材５に対する可動部材１の相対移動方向に沿った移動を円滑に行わせることが可能となる。そして、当該支持が、本発明に係る第二支持部による可動部材１の支持に相当する。

更に、可動部材１のＸＹ平面における概ね中央部分に設けられた接続部１５を介して、可動部材１と筐体１１の２つの側面１１ｄのそれぞれとの間にバネ１４が配置されている。図２に示す状態では、バネ１４は側面１１ｄの概ね中央部分に接続され、各バネ１４による弾性力は、相対移動方向（Ｘ方向）に作用するように配置されている。バネ１４の弾性力により、外部振動を受けた可動部材１は筐体１１内で往復運動を行い、効率的な振動発電が実現される。

このように、本実施例に係る振動発電素子１０では、可動部材１については、支持用鋼球１２による底面１１ｂに対する支持と、支持用鋼球１３による側面１１ａに対する支持が独立して行われていることになる。この両支持が存在することで、幾何学的条件により相対移動方向が一義的に決定されることになり、固定部材５に対する可動部材１の相対移動を安定して行うことができる。

ここで、支持用鋼球１２による底面１１ｂに対する支持については、可動部材１の自重の少なくとも一部が支持用鋼球１２に掛かるため、底面１１ｂの内壁面に対する支持用鋼球１２の追従性は上記相対移動が行われる間において高く維持される。一方で、支持用鋼球１３による側面１１ａに対する支持については、図２等に示すように振動発電素子１０がＸＹ平面に水平に配置される場合には、原理的には、支持用鋼球１３を側面１１ａの内壁面に押し付ける力が作用しないため、当該内壁面に対する支持用鋼球１３の追従性は、上記相対移動が行われる間において必ずしも高く維持されるとは限らない。そして、その追従性が低下すると、可動部材１の相対移動のぶれを生じさせるため、相対移動における
電極６、７の並びとエレクトレット２との間のアジマスを増大させる可能性がある。

そこで、本発明に係る振動発電素子１０においては、支持用鋼球１３による側面１１ａに対する支持において、支持用鋼球１３を側面１１ａの内壁面に押し付ける力を作用させるために、図４に示す構成を採用する。図４は、振動発電素子１０の配置をＺＹ平面で表わした図である。可動部材１は、紙面に対して垂直方向（Ｘ方向）に相対移動する。図４に示す構成では、振動発電素子１０全体がＺＹ平面において傾斜された状態に維持される。具体的には、振動発電素子１０が、Ｙ方向に対して傾斜角θで傾斜された斜面を有する傾斜装置１６の当該斜面上に、固定装置１７を介して固定される。

この結果、振動発電素子１０は振動発電を行う際には、図４に示すようにＺＹ平面において傾斜状態が維持されることになる。この場合、可動部材１の自重Ｆｇは、底面１１ｂの内壁面に垂直な分力Ｆｇ１と、側面１１ａの内壁面に垂直な分力Ｆｇ２とに分かれて、それぞれの支持用鋼球１２、１３を介して、それぞれの内壁面に対して作用する。そのため、可動部材１の相対移動が行われる間において、底面１１ｂの内壁面に対する支持用鋼球１２の追従性は高く維持されつつ、側面１１ａの内壁面に対する支持用鋼球１３の追従性も高く維持される。したがって、支持用鋼球１３を介して可動部材１を側面１１ａの内壁面に付勢する、振動発電素子１０の傾斜状態での設置が、本発明に係る支持保持部に相当する。この結果、可動部材１の相対移動方向が、底面１１ｂの内壁面と側面１１の内壁面１１ａによって一義的に規定されることになるため、可動部材１の相対移動における上記アジマスの増加を抑制することができ、以て、振動発電素子１０の振動効率の低下を回避することができる。

＜振動発電素子１０の組立について＞
ここで、図５Ａ〜図５Ｆに基づいて振動発電素子１０の組み立て方法について説明する。なお、本発明に係る振動発電素子１０の組み立ては、以下に示す組み立て方法に限られないが、下記の組み立て方法は、可動部材１の相対移動時のアジマスを抑制する構成を容易に形成する方法として極めて有用なものである。なお、図５Ａ〜図５Ｆの各図において、上段は上面図（ＸＹ上面図）であり、下段は断面図（ＺＹ断面図）である。
（工程１）
図５Ａに示すように、固定基板５ｂ上に電極群５ａを配置することで、固定部材５を形成する。電極群５ａの固定基板５ｂへの固定は、接着剤による接着やカシメやネジ留め等の物理的な固定方法が利用できる。また、電極群５ａを固定基板５ｂに対して正確に位置決めするために、固定基板５ｂ側に位置決め用の突起等を設け、当該突起等に電極群５ａを接触させたうえで固定基板５ｂに固定してもよい。また、電極群５ａを固定するためのジグを利用してもよい。

（工程２）
次に、図５Ｂに示すように、工程１で作成した固定部材５を、電極群５ａが筐体１１の内部を向くように、筐体１１の底面１１ｂ側から挿入する。このとき、筐体１１の四隅には高さ位置決め用の突起部１１ｅが設けられている。この突起部１１ｅの下面１１０は、筐体１１の底面１１ｂの内壁面１１１に対して正確に高さ寸法が規定されている。更に、筐体１１には、図５Ｂにおける横方向（Ｙ方向）の、筐体１１に対する固定部材５の位置を決めるための位置決め突起部１１ｆが設けられている。そして、位置決め突起部１１ｆによって横方向の位置決めが行われながら底面１１ｂ側から筐体１１内に挿入された固定部材５は、突起部１１ｅの下面１１０に突き当たった状態で、底面１１に対して固定される。この固定部材５の固定には、接着剤による接着やカシメやネジ留め等の物理的な固定方法が利用できる。

（工程３）
次に、図５Ｃに示すように、可動基板１ｂ上にエレクトレット群１ａを配置することで、可動部材１を形成する。エレクトレット群１ａの可動基板１ｂへの固定は、接着剤による接着やカシメやネジ留め等の物理的な固定方法が利用できる。また、エレクトレット群１ａを可動基板１ｂに対して正確に位置決めするために、可動基板１ｂ側に位置決め用の突起等を設け、当該突起等にエレクトレット群１ａを接触させたうえで可動基板１ｂに固定してもよい。また、エレクトレット群１ａを固定するためのジグを利用してもよい。また、上述したように可動基板１ｂと側面１１ａの内壁面との間に支持用鋼球１３を配置させるために、エレクトレット群１ａの可動基板１ｂへの固定により支持用溝１ｅが形成される。

（工程４）
次に、図５Ｄに示すように、工程２で固定部材５が固定された筐体１１において、底面１１ｂの内壁面１１１上に、支持用鋼球１２を配置する。この内壁面１１１は、固定部材５の固定により、固定部材５の側面と、筐体１１の側面１１ａとの間に位置する。なお、図５Ｄは、可動部材１を安定して支持するために４個の支持用鋼球１２を配置した状態を示している。

（工程５）
次に、図５Ｅに示すように、工程４で配置された４個の支持用鋼球１２の上に、工程３で作成した可動部材１を載せる。これにより、可動部材１上のエレクトレット群１ｂの表面は、底面１１ｂの内壁面１１１を基準として支持用鋼球１２の直径分だけ上方に位置することになる。一方で、固定部材５上の電極群５ａの表面については、内壁面１１１を基準に高さが定められた突起部１１ｅの下面１１０に当該表面が突き当てられることでその高さが決定される。したがって、エレクトレット群１ｂの表面の高さと、固定部材５上の電極群５ａの表面の高さは、ともに内壁面１１１が基準とされることから、工程５において可動部材１を支持用鋼球１２上に載せるだけで、可動部材１と固定部材５の間隔距離を正確に規定することが可能となる。

（工程６）
最後に、図５Ｆに示すように、工程５で支持用鋼球１２上に配置された可動部材１の支持用溝１ｅに、支持用鋼球１３を置くとともに、可動部材１の中央部分に設けられた連結部１５を介して可動部材１と筐体１１の側面１１ｄとを連結し、上面１１ｃで蓋をすることで筐体１１内に可動部材１等を収容する。

このように組み立てられた振動発電素子１０を、図４に示す傾斜装置１６上に側面１１ａが下方にくるように設置することで、支持用鋼球１３による支持状態を良好に維持することが可能となる。また、上記組み立て方法では、筐体１１の内壁面（底面１１ｂの内壁面と、側面１１ａの内壁面）を利用して支持用鋼球１２、１３を配置する構成であるため、比較的容易に組み立てを行い得る。

支持用鋼球１３による側面１１ａに対する支持において、支持用鋼球１３を側面１１ａの内壁面に押し付ける力を作用させる構成について、図６に第二の実施例を示す。本実施例では、連結部１５を介して可動部材１に対して連結されている２つのバネ１４について、当該バネ１４の筐体１１側の連結箇所を、上記実施例１の連結箇所、すなわち側面１１ｄの中央部分よりも、押し付け力を作用させる側面１１ａ側に距離ΔＬだけ寄った位置としている。この結果、可動部材１がバネ１４から受ける弾性力Ｆｋ１の方向が、実施例１における方向（概ね相対移動方向）よりも側面１１ａ側を向くことになる。そして、バネ１４からの弾性力の合力Ｆｋ２が、側面１１ａに向かって発生し、当該合力が、支持用鋼球１３を側面１１ａの内壁面に押し付ける力として機能することになる。これにより、可
動部材１の相対移動方向が、底面１１ｂの内壁面と側面１１の内壁面１１ａによって一義的に規定されることになるため、可動部材１の相対移動におけるアジマスの増加を抑制することができ、以て、振動発電素子１０の振動効率の低下を回避することができる。したがって、支持用鋼球１３を介して可動部材１を側面１１ａの内壁面に付勢する２つのバネ１４が、本発明に係る支持保持部に相当する。

また図６に示す構成では、２つのバネ１４が１箇所の連結部１５を介して可動部材１に連結されることから、複数箇所の連結部でバネ１４が連結される場合と比べて、可動部材１に回転力を作用させにくくなる。相対移動方向に相対移動を行う可動部材１に回転運動が生じると振動発電のための相対移動を阻害することになるため、上記連結構成は発電効率の低下を抑制するのに有用である。

ここで、図７に基づいて、固定部材５における電極群５ａに含まれる電極の並びに関する第三の実施例について説明する。筐体１１を製造するにあたり、支持用鋼球１３を押し付ける側面の厚さが薄くなるほど、その側面自体が湾曲しやすくなる。図７は、当該側面の湾曲の程度を誇張して記載したものであり、上記までの実施例と区別するために当該湾曲側面の参照番号を１１Ａとしている。このように湾曲した側面１１Ａに対して支持用鋼球１３を押し付けた状態で可動部材１の相対移動を行っても、ある程度のアジマスの低減は期待できるが、そもそも側面１１Ａの湾曲に起因したアジマスを排除することは困難である。

そこで、固定部材５の電極群５ａにおける電極６、７の並びを、側面１１Ａの湾曲に応じて調整することで、側面１１Ａの湾曲に起因したアジマスも排除することが可能となる。例えば、図７に示すように、側面１１Ａが、その中央部分が内側に膨らむように湾曲している場合には、電極６、７が、側面１１Ａの内壁面に対して垂直になるように電極群５ａを形成する。したがって、図７に示す例では、電極群５ａ上の電極間隔が、図の左側（側面１１Ａ側）の方が右側よりも狭くなるように、各電極が配置される。

このように固定部材５を構成するとともに、支持用鋼球１３を側面１１Ａの内壁面に押し付けることで、仮に側面１１Ａが湾曲していたとしても、可動部材１の相対移動におけるアジマスの増加を抑制することができ、以て、振動発電素子１０の振動効率の低下を可及的に回避することができる。

ここで、図８に基づいて、本発明に係る振動発電素子１０の第四の実施例について説明する。図８に示す振動発電素子１０においては、可動部材１のＹ方向での中央部分に、可動部材１の相対移動方向に位置する側面１１ｄ側に突出した突起部１８が設けられている。そして、可動部材１が外部振動により大きく振動した場合、この突起部１８が側面１１ｄの内壁面に接触するように構成されている。

したがって、可動部材１の振幅が大きくなった場合は、可動部材１は、突起部１８に対応する側面１１ｄの内壁面の箇所、すなわち当該内壁面の概ね中央部分に対して接触することになる。このように側面１１ｄと可動部材１の接触箇所が中央部分に近い箇所であるほど、その接触箇所と可動部材１の回転中心との距離を短くすることができるため、接触時に可動部材１に対して作用する回転力を軽減することができる。その結果、振動発電素子１０の発電効率の低下を抑制することができる。

ここで、図９Ａ〜図９Ｃに基づいて、支持用鋼球１３を介した可動部材１の支持状態に
ついて説明する。図９Ａ〜図９Ｃは、当該支持状態を概略的に記載した図であり、特に、図９Ａは、上述までの実施例に示したように、支持用溝１ｅ内に配置された支持用鋼球１３による支持状態を開示している。ここで、図９Ａに示す支持状態では、支持用鋼球１３と可動部材１が点Ｐ１と点Ｑ１とで接触するとともに、支持用鋼球１３と側面１１ａの内壁面とは点Ｐ２で接触する構成となっており、そして、接触点Ｐ１、Ｑ１における支持用鋼球１３の転がり半径が異なるため差動すべりが生じやすい。例えば、点Ｐ１では転がり摩擦が発生するが、点Ｐ２ではすべり摩擦が発生するため、支持用鋼球１３による支持に関して耐摩耗性の低下や、可動部材１の加速度性能の低下等が懸念される。

そこで、支持用鋼球１３を介した可動部材１の支持状態に関し、図９Ｂに示す支持構成を採用することもできる。当該構成では、支持用溝１ｅにおいて、支持用鋼球１３が下方に落下しないように、突出した斜面１ｇによって支えられるとともに（その際の支持用鋼球１３と斜面１ｇの接触箇所は点Ｐ４となる）、斜面１ｇの上方に設けられた半球面状の突起部１ｆに対して支持用鋼球１３が接触する。このとき、支持用鋼球１３と突起部１ｆとは点Ｐ５で接触するとともに、支持用鋼球１３と側面１１ａの内壁面とは点Ｐ６で接触する。そして、点Ｐ４、点Ｐ５、点Ｐ６の相関については、点Ｐ６を頂点とする二等辺三角形が形成されるように、斜面１ｇ、突起部１ｆの大きさ、形状が設計される。その結果、点Ｐ４と点Ｐ５における支持用鋼球１３の転がり半径を同じにでき、以て差動すべりの発生を抑制することができる。

また、支持用鋼球１３における差動すべりの発生を抑制する構成として、図９Ｃに示す構成も採用できる。当該構成では、支持用溝１ｅにおいて、支持用鋼球１３が下方に落下しないように、斜面１ｈによって支えられ、このとき支持用鋼球１３は点Ｐ７で斜面１ｈと接触する。そして、当該斜面１ｈと平行な斜面１１ａ１が、側面１１ａの内壁面側に形成され、支持用鋼球１３は、この斜面１１ａ１に対して点Ｐ８を介して接触する。図９Ｃに示す構成では、支持用鋼球１３は、点Ｐ７と点Ｐ８のみで接触し、これらの、点Ｐ７と点Ｐ８の関係については、点Ｐ７と点Ｐ８を結ぶ線が、支持用鋼球１３の中心を通るように、斜面１ｈ、１１ａ１の形状が設計される。その結果、支持用鋼球１３における差動すべりの発生を抑制できる。

ここで、可動部材１と固定部材５の円滑な相対移動を実現するためには、支持用溝１ｅにおいて支持用鋼球１３が、溝１ｅの両端（中央突起１ｃ、端部側突起１ｄ）と接触しないのが好ましい。したがって、支持用溝１ｅの長さ（相対移動方向の長さ）は、支持用鋼球１３の直径に、可動部材１の最大振幅を加えた長さ以上であるのが好ましい。なお、可動部材１の最大振幅は、想定される外部振動によって可動部材１が相対移動を行うときの振幅の最大値であり、例えば、可動部材１が±２ｍｍで相対移動（振動）する場合には、その最大振幅２ｍｍとなる。

１・・・・可動部材
１ａ・・・・エレクトレット群
１ｂ・・・・可動基板
１ｅ・・・・支持用溝
２・・・・エレクトレット
５・・・・固定部材
５ａ・・・・電極群
５ｂ・・・・固定基板
６、７・・・・電極
１０・・・・振動発電素子
１１・・・・筐体
１１ａ・・・・側面
１１ｂ・・・・底面
１１ｄ・・・・側面
１２・・・・支持用鋼球
１３・・・・支持用鋼球
１４・・・・バネ
１５・・・・連結部
１６・・・・傾斜装置
１８・・・・突起部

Claims (11)

1. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極からなる電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行う振動発電素子であって、
   前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部と、
   前記エレクトレット群と前記電極群のうち一方が設けられるとともに、前記筐体部側に固定される固定部材と、
   前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が設けられるとともに、前記固定部材に対して対向した状態を保ったまま、外部振動により相対移動が可能となるように前記筐体部内に収容される可動部材と、
   前記エレクトレット群と前記電極群との間の間隙を規定するように、前記筐体部内の底面に対して前記可動部材を相対移動可能に支持する第一支持部と、
   前記筐体部内の底面とともに前記相対移動方向を規定する前記筐体部の側方内壁面に対して、前記可動部材を相対移動可能となるように支持する第二支持部と、
   前記筐体部内の側方内壁面に対して前記可動部材を付勢し、相対移動時において前記第二支持部による該可動部材の支持状態を保持する支持保持部と、
   を備える、振動発電素子。
2. 前記第二支持部による前記可動部材の支持が行われる前記側方内壁面を、前記振動発電素子の設置面を基準として下方に配置させるように前記筐体部を傾斜させる傾斜部を、更に備え、
   前記支持保持部は、前記傾斜部によって前記筐体部を傾斜させることで、前記可動部材の自重により該可動部材を前記側方内壁面に対して付勢する、
   請求項１に記載の振動発電素子。
3. 前記可動部材と前記筐体部との間に設けられた複数の弾性部材を、更に備え、
   前記支持保持部は、前記複数の弾性部材によって前記可動部材に対して生じる弾性力の合力により、該可動部材を前記側方内壁面に対して付勢する、
   請求項１に記載の振動発電素子。
4. 前記複数の弾性部材は、前記可動部材に対して一箇所の連結部を介して連結されている、
   請求項３に記載の振動発電素子。
5. 前記支持保持部は、前記可動部材と前記側方内壁面との間に両者を接近させるように作用する所定の物理力により、該可動部材を該側方内壁面に対して付勢する、
   請求項１に記載の振動発電素子。
6. 前記振動発電に関連する、前記エレクトレット群に含まれる複数のエレクトレットと前記電極群に含まれる複数の電極との重なり面積が最大となるように、前記相対移動方向を規定する前記側方内壁面の形状に基づいて、該エレクトレット群における該複数のエレクトレットの並びと、該電極群における該複数の電極の並びとが決定される、
   請求項１から請求項５の何れか１項に記載の振動発電素子。
7. 前記可動部材は、前記相対移動方向に沿って該可動部材が変位した際に、前記筐体部の内壁面であって該可動部材の該相対移動方向に位置する移動方向内壁面と接触する接触部を、該移動方向内壁面に対向する該可動部材の幅における中央部位に有する、
   請求項１から請求項６の何れか１項に記載の振動発電素子。
8. 前記第一支持部は、前記筐体部内の底面と前記可動部材との間に挟まれて配置される第
   一回転部材によって、該可動部材を転がり支持し、
   前記第二支持部は、前記側方内壁面と前記可動部材との間に挟まれて配置される第二回転部材によって、該可動部材を転がり支持する、
   請求項１から請求項７の何れか１項に記載の振動発電素子。
9. 前記第二回転部材は、球形状を有する鋼球であって、
   前記支持保持部による支持状態の保持が行われている状態において、前記鋼球は、該鋼球の落下方向に対向する方向から該鋼球を支持する第一接触点と、該鋼球に対して前記第一方向とは反対側に位置する第二接触点を介して前記可動部材と接触するとともに、第三接触点を介して前記側方内壁面と接触し、
   前記第一接触点、前記第二接触点、前記第三接触点を結んで形成される仮想三角形は、該第三接触点を頂点とする二等辺三角形とされる、
   請求項８に記載の振動発電素子。
10. 前記第二回転部材は、球形状を有する鋼球であって、
    前記支持保持部による支持状態の保持が行われている状態において、前記鋼球は、該鋼球の落下方向に対向する方向から該鋼球を支持する第一接触点を介して前記可動部材と接触するとともに、第二接触点を介して前記側方内壁面と接触し、
    前記第一接触点、前記第二接触点を結ぶ仮想直線は、該鋼球の中心を通過する、
    請求項８に記載の振動発電素子。
11. 外部振動によって、複数のエレクトレットからなるエレクトレット群と複数の電極からなる電極群が、相対移動方向に変位することで振動発電を行う振動発電素子の組立方法であって、
    前記エレクトレット群と前記電極群を収容する筐体部の外部から、該エレクトレット群と該電極群のうち一方が設けられた固定部材を、該エレクトレット群又は該電極群が該筐体部の内部を向く状態で該筐体部内に挿入する工程と、
    前記挿入の方向に沿って前記筐体部内の底面に対して所定の高さを有する位置に位置決めされた前記筐体部側の突起部に、前記固定部材を突き当てた状態で、該固定部材を該筐体部に固定する工程と、
    前記エレクトレット群と前記電極群のうち他方が設けられた可動部材を支持し、該エレクトレット群と該電極群との間の間隙を規定する第一支持部を、前記筐体部の内部の底面上に配置する工程と、
    前記可動部材に設けられた前記エレクトレット群又は前記電極群が前記固定部材側を向くように、前記可動部材を前記第一支持部材の上に配置する工程と、
    前記筐体部内の底面とともに前記相対移動方向を規定する前記筐体部の側方内壁面と、前記可動部材との間に、該可動部材を相対移動可能となるように支持する第二支持部を配置し、該筐体部内の側方内壁面に対して該可動部材を、該第二支持部によって支持された状態で付勢する工程と、
    を含む、振動発電素子の組立方法。