JP5804502B2 - 発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計 - Google Patents

Description

本発明は、発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計に関するものである。

エレクトレット材料による静電誘導を利用した発電装置が提案されている。
特許文献１には、複数のエレクトレット電極２を表面に有する不動基板１と、複数の可動電極５を表面に有する可動基板４と、が離れて配置された発電装置が提案されている。可動電極５及び可動基板４は、不動基板１上に設けられた固定構造体３ａ，３ｂにバネ駆動体６ａ，６ｂのような弾性部材を介して連結されている。外部から発電装置７０に外部振動が加わったときに、可動基板４は移動し、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積は初期面積から増加又は減少する。この重なり面積の変化によって、可動電極５に電荷の変化が生じる。発電装置７０は、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電する。

また特許文献２には、時計モジュール６に設けられた平板状の基板である地板１５の平面上を回転する回転板１７に、その回転中心部である軸孔１７ａから放射状に形成された放射状部２４を備えた第１電極２２と、電荷保持体であるエレクトレット膜２５とを配置する一方で、この第１電極２２の放射状部２４と対向するように地板１５上に、放射状に形成された放射状部２７を備えた第２電極２６を配置した発電装置が提案されている。これにより、回転板１７の機械的な回転運動エネルギーを効率良く電気エネルギーに変換することができるとされている。

特許第４２２９９７０号公報 特開２０１０−２７９１９２号公報

しかしながら、特許文献１の発電装置では、限られたスペースの中で可動基板５が水平移動するため、不動基板１に対する可動基板５の移動距離が限定的となる。そのため、エレクトレット電極２と可動電極５との重なり面積の変化量が限定的となり、発電効率の向上に限界がある。
一方で、発電効率を向上させるには、発電装置を励振する外部振動として、環境振動を利用することが望ましい。ただし、環境振動は低周波振動が支配的であるため、可動基板４の共振周波数を小さくする必要がある。共振周波数を小さくするには、バネ駆動体６ａ，６ｂのバネ定数を小さくする必要がある。ところが、可動基板５と固定構造体３ａ，３ｂとの狭い隙間にバネ駆動体６ａ，６ｂが設けられているので、バネ駆動体６ａ，６ｂのバネ定数を小さくすることが困難である。そのため、外部振動として環境振動を効率よく利用することができず、発電効率の向上に限界がある。

これに対して、特許文献２の発電装置では、環境振動に合わせて回転板１７を回転させることができる。ところが、その回転量は環境振動の振幅に比例するため、エレクトレット膜２５と第２電極２６との重なり面積の変化量が限定的となり、発電効率の向上に限界がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、発電効率に優れた発電装置、携帯型電気機器および携帯型時計を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る発電装置は、基体と、前記基体に対向配置された状態で前記基体に対して相対回動する回動体と、前記基体および前記回動体のうち、一方の対向面に形成された電荷保持部材と、他方の対向面に形成された電極と、を備え、前記回動体は、弾性体を介して支持され、前記基体に対して往復周期回動し、前記弾性体は、渦巻きバネであり、前記渦巻きバネは、導電材料で形成され、前記回動体に形成された前記電荷保持部材または前記電極は、前記渦巻きバネを介して外部に電気的接続され、前記渦巻きバネは、一端部において前記回動体に対して固定されるとともに、他端部において前記基体に対して相対移動不能に固定され、前記基体に形成された前記電荷保持部材または前記電極は、前記基体に対して固定された導通部材を介して外部に対して電気的接続されることを特徴とする。

この構成によれば、回動体が回動するので、特許文献１発明のように可動基板が水平移動する場合に比べて、基体に対する回動体の移動距離が大きくなる。したがって、電荷保持部材と電極との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。
また、回動体が弾性体を介して支持されているので、回動体は共振し、基体に対して往復周期回動する。その共振周波数の外部振動が、本発明の発電装置に対して入力された場合の回動体の共振回動振幅は、特許文献２発明のように弾性体を持たない発電装置に対して入力された場合の回動体の回動振幅よりも、極めて大きくなる。回動体の回動振幅が大きくなることで、電荷保持部材と電極との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。

また、渦巻きバネは自由長が長いので、ねじりバネ定数が小さくなり、回動体の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を効率よく利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。

また、上記構成によれば、特許文献２発明のように回動体の回動軸とその軸受機構との間の摺動部を介して回動体の電極を外部に電気的接続する場合と比べて、電気的接続の安定性を確保することができる。

また前記回動体の回動軸は、耐振軸受を介して支持されていることが望ましい。
回動体の慣性モーメントを確保するには相当の質量が必要であるため、回動体の回動軸には衝撃力が作用する可能性がある。この構成によれば、回動体の回動軸が耐振軸受を介して支持されているので、回動軸に作用する衝撃力を吸収して、回動軸の破損を防止することができる。

また前記回動体は、前記基体に対向配置された扇板状の本体部と、前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていてもよい。
この構成によれば、回動体は周囲円弧部に重錘を備えているので、慣性モーメントが大きくなり、回動体の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を効率よく利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。

また前記回動体は、前記基体に対向配置された円板状の本体部と、前記本体部の周囲の一部のみに設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、を備えていてもよい。
この構成によれば、回動体は円板状の本体部を備えているので、電荷保持部材または電極の形成面積を広く確保することができる。これにより、回動体が回動したときに、電荷保持部材と電極との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。
加えて、回動体は周囲に重錘を備えているので、慣性モーメントが大きくなり、回動体の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を効率よく利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。また、回動体は周囲の一部のみに重錘を備えているので、外部振動の入力により回動体にモーメントが作用し、回動体を回動させることができる。

また前記回動体は、導電材料で形成され、対向面の一部のみに絶縁膜が形成されて、前記絶縁膜の非形成部が前記電極として機能するようにしてもよい。
この構成によれば、回動体そのものが電極として機能するので、別途電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。

また、前記基体に形成された第１の前記電荷保持部材と、前記回動体に形成された第１の前記電極とが、対向配置されて形成された第１発電部と、前記基体に形成された第２の前記電極と、前記回動体に形成された第２の前記電荷保持部材とが、対向配置されて形成された第２発電部と、を備えていてもよい。
この構成によれば、基体の対向面および回動体の対向面の大部分を発電部として利用することができるので、発電効率を向上させることができる。

一方、本発明に係る携帯型電気機器は、上述した発電装置を備えたことを特徴とする。
また、本発明に係る携帯型時計は、上述した発電装置を備えたことを特徴とする。
この構成によれば、発電効率に優れた発電装置を備えているので、電力供給の信頼性に優れた携帯型電気機器および携帯型時計を提供することができる。
携帯型電気機器および携帯型時計を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置に入力される。上述した発電装置では、回動体の共振周波数が低くなるので、歩行振動により回動体を共振回動させることができる。これにより、歩行振動を利用して効率的に発電することができるので、電力供給の信頼性に優れた携帯型電気機器および携帯型時計を提供することができる。

本発明に係る発電装置によれば、回動体が回動するので、特許文献１発明のように可動基板が水平移動する場合に比べて、基体に対する回動体の移動距離が大きくなる。したがって、電荷保持部材と電極との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。
また、回動体が弾性体を介して支持されているので、回動体は共振し、基体に対して往復周期回動する。その共振周波数の外部振動が、本発明の発電装置に対して入力された場合の回動体の共振回動振幅は、特許文献２発明のように弾性体を持たない発電装置に対して入力された場合の回動体の回動振幅よりも、極めて大きくなる。回動体の回動振幅が大きくなることで、電荷保持部材と電極との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。

第１実施形態に係る発電装置の分解斜視図である。 図１のＡ−Ａ線における側面断面図である。 （ａ）は回動錘の底面図であり、（ｂ）は第１基板の平面図である。 第１実施形態に係る発電装置の回路図であり、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。 耐振軸受の側面断面図である。 第２実施形態に係る発電装置の説明図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。 回動錘の底面図である。 第３実施形態に係る発電装置の説明図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。 （ａ）は回動板の底面図であり、（ｂ）は第１基板の平面図である。 第３実施形態に係る発電装置の回路図であり、図８のＣ−Ｃ線における断面図である。 クオーツ式腕時計のムーブメントの構造図である。 回動錘の中立位置の説明図である。

本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本願では、対向配置された一対の部材（第１部材および第２部材）のうち、第１部材における第２部材側を「内側」と呼び、内側の面を「内面」または「対向面」と呼ぶ。また、第１部材における第２部材とは反対側を「外側」と呼び、外側の面を「外面」と呼ぶ。

（第１実施形態）
図１は第１実施形態に係る発電装置の分解斜視図であり、図２は図１のＡ−Ａ線における側面断面図である。図１に示すように、第１実施形態に係る発電装置１０は、第１基板（基体）５０と、第１基板５０に対向配置された状態で第１基板５０に対して相対回動する回動錘（回動体）４０と、第１基板５０の内面に形成されたエレクトレット膜（電荷保持部材）５６と、回動錘４０の内面に形成された電極４４と、を備え、回動錘４０は、渦巻きバネ（弾性体）３０を介して支持され、第１基板５０に対して往復周期回動するものである。

第１基板５０は、真鍮などの金属材料や、シリコンなどのセラミック材料、ガラスエポキシなどの樹脂材料等により形成することができる。本実施形態の第１基板５０は、ガラスエポキシにより円板状に形成されている。
第２基板１５は、第１基板５０に対向配置されている。第２基板１５も、第１基板と同様の材料により円板状に形成されている。

図２に示すように、第１基板５０と第２基板１５との間には回動軸１１が配置されている。本願では、回動軸１１の軸方向を単に「軸方向」という。
回動軸１１は、導電性を有する金属材料等により形成されている。回動軸１１は、第１基板５０および第２基板１５の内面の中心を通る法線上に配置されている。回動軸１１の軸方向の両端部には、軸方向の中央部より小径のホゾ１２が形成されている。

図２に示すように、回動軸１１のホゾ１２を回動可能に支持するため、第１基板５０および第２基板１５に軸受機構２０が設けられている。以下、第２基板１５の軸受機構２０を例にして説明するが、第１基板５０の軸受機構２０も同様に形成されている。
軸受機構２０は、ホゾ１２の外周を覆うように配置された穴石２２と、ホゾ１２の軸方向端部を覆うように配置された受石２４とを備えている。穴石２２および受石２４は、耐摩耗性に優れた絶縁材料であるルビーやダイヤモンドなどにより形成されている。穴石２２の中央部には貫通孔が形成されている。穴石２２および受石２４は、第２基板１５の外面中央部に形成された座繰り穴１６に圧入されている。座繰り穴１６の底面中央部にも貫通孔が形成されている。そして、第２基板１５の内側から、第２基板１５の貫通孔および穴石２２の貫通孔にホゾ１２が挿入され、ホゾ１２が回転可能に支持されている。

図５は、耐振軸受の側面断面図である。図２に示す軸受機構２０に代えて、図５に示す耐振軸受１２０を採用することも可能である。
耐振軸受１２０は、ベースとなる軸受体１１５を備えている。後述するように軸受体１１５は回動軸１２１と当接する場合があるため、軸受体１１５を絶縁材料で形成するか、軸受体１１５の表面に絶縁膜を形成することが望ましい。軸受体１１５の座繰り穴には穴石１２２および受石１２４が順に挿入されている。穴石１２２および受石１２４は、座繰り穴の底部に形成されたテーパ面１１６上に配置されている。また穴石１２２および受石１２４は、ばね１２８により座繰り穴の底部側に向けて付勢されている。

回動軸１２１に軸方向の衝撃力が作用すると、ばね１２８が撓んで回動軸１２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸１２１の過大な変位は、回動軸１２１の肩部１２１ｓと軸受体１１５との当接によって規制される。一方、回動軸１２１に軸直角方向の衝撃力が作用すると、穴石１２２がテーパ面１１６に沿って移動することで回動軸１２１の変位を許容し、衝撃力を吸収する。なお回動軸１２１の過大な変位は、回動軸１２１の首部１２１ｎと軸受体１１５の貫通孔との当接によって規制される。

後述するように、回動軸１２１に固定される回動錘は、慣性モーメントを確保するため相当の質量を有している。そのため、回動軸には衝撃力が作用する可能性がある。これに対して、上述したように回動軸１２１が耐振軸受を介して支持されていれば、回動軸１２１に作用する衝撃力を吸収して、回動軸１２１の破損を防止することができる。

図１に示すように、第１基板５０に対向配置された状態で第１基板５０に対して相対回動する回動錘４０が設けられている。
回動錘４０は、真鍮などの金属材料や、シリコンなどのセラミック材料、ガラスエポキシなどの樹脂材料等により形成することができる。本実施形態の回動錘４０は、真鍮により扇板状に形成されている。回動錘４０は、第１基板５０に対向配置された扇板状の本体部４２と、本体部４２の周囲円弧部に設けられ本体部４２より厚肉に形成された重錘４８と、を備えている。本実施形態の本体部４２および重錘４８は一体形成されている。本体部４２の中心部には貫通孔４１（図２参照）が形成され、その貫通孔４１に回動軸１１が圧入されている。

なお、本体部４２および重錘４８を別体形成し、締結部材や接着剤等を用いて接続してもよい。本体部４２および重錘４８を別体形成する場合には、本体部４２より比重の大きい材料で重錘４８を形成することが望ましい。例えば、本体部４２を真鍮で形成し、重錘４８をプラチナや金、タングステン等で形成する。これにより、回動錘４０の大幅な重量増加を抑制しながら、回動錘４０の慣性モーメントを増加させることができる。

（エレクトレット膜）
図２に示すように、第１基板５０の内面にエレクトレット膜５６が設けられている。
エレクトレット膜５６は、フッ素樹脂などの高分子材料やシリコン酸化物などの無機材料で形成されている。フッ素樹脂としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン／ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン／ペルフルオロ（アルキルビニルエーテル）共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン／エチレン共重合体）、脂肪族環構造を有する含フッ素重合体等が挙げられる。脂肪族環構造を有する含フッ素重合体としては、特開２００６−１８０４５０号公報に記載の重合体等が挙げられる。なお、脂肪族環構造を有する含フッ素重合体の市販品としては、ＣＹＴＯＰ（登録商標、旭硝子社製）等が挙げられる。さらに、エレクトレット膜５６としては、国際公開第２００８／１１４４８９号公報、国際公開第２０１０／０３２７５９号公報に記載のエレクトレット等が挙げられる。エレクトレット膜５６は、高電圧を印加しつつ冷却・固化させたり、コロナ放電により電子を打ち込んだりすることで、所定の電荷を半永久的に保持することができる。本実施形態では、コロナ放電により電子を打ち込むことで、エレクトレット膜５６の表面に負電荷を保持させている。

また本実施形態では、第１基板５０が絶縁材料で形成されているため、第１基板５０の内面全体に導電性の金属材料で集電材５４が形成され、集電材５４の内面にエレクトレット膜５６が形成されている。なお、第１基板５０の内面全体に導電材料が存在しなくても、少なくともエレクトレット膜５６の下層に導電材料が存在し、なおかつ、全ての導電材料が連結されていれば、集電材５４として機能する。また、第１基板５０が導電材料で形成されている場合には、第１基板５０自体を集電材として機能させることができる。

図３（ｂ）は、第１基板の平面図である。
エレクトレット膜５６は、第１基板５０の径方向に連続形成され、第１基板５０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。なお、第１基板５０の中央貫通孔の周囲では、エレクトレット膜５６が第１基板５０の周方向に連続形成されている。このようなエレクトレット膜５６のパターンが、円板状の第１基板５０の周方向全体に形成されている。

図２に示すように、回動錘４０の内面に電極４４が形成されている。
電極４４は、扇板状の本体部４２の内面に形成されているが、重錘４８の内面まで延設されていてもよい。本実施形態では回動錘４０が導電材料で形成され、回動錘４０の内面の一部のみに絶縁膜４６が形成されて、回動錘４０の内面における絶縁膜４６の非形成部が電極４４として機能する。なお、回動錘４０が絶縁材料で形成されている場合には、回動錘４０の内面に導電材料で電極４４を形成すればよい。本実施形態では、回動錘４０そのものが電極４４として機能するので、別途電極を形成する必要がなく、製造コストを低減することができる。

図３（ａ）は、回動錘４０の底面図である。
電極４４は、絶縁膜４６の非形成部に形成されている。絶縁膜４６は、回動錘４０の径方向に連続形成され、回動錘４０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。これに伴って、電極４４は、回動錘４０の径方向に連続形成され、回動錘４０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。このような電極４４のパターンが、扇板状（半円板状）の回動錘４０の周方向全体に形成されている。すなわち電極４４は、エレクトレット膜５６の半分程度の領域に形成されている。ただし、エレクトレット膜５６および電極４４は、回動錘４０の周方向に同一ピッチで形成されている。

図４は、第１実施形態に係る発電装置の回路図であり、図２のＢ−Ｂ線における断面図である。図４に示すように、発電装置１０の回路９０は、ブリッジ式整流回路９２と、平滑回路９４とを備えている。
ブリッジ式整流回路９２は、４個のダイオードを備え、その入力側にはエレクトレット膜５６の集電材５４および電極４４が接続されている。ブリッジ式整流回路９２の出力側は、平滑コンデンサを備えた平滑回路９４を介して、様々な電気機器１に接続される。

エレクトレット膜５６の内面には負電荷が保持されているので、対向配置された電極４４の内面には、静電誘導により正電荷が引き寄せられる。第１基板５０に対して回動錘４０が相対回動すると、軸方向から見た場合におけるエレクトレット膜５６と電極４４との重なり面積（本願では、単に「重なり面積」という。）が増減し、これに伴って電極４４の正電荷が増減する。静電誘導型の発電装置１０では、この電荷の変化を電気エネルギーとして取り出すことにより発電を行う。すなわち、回路９０を備えた発電装置１０は直流電源として機能する。

本実施形態では、回動錘４０が回動するので、特許文献１発明のように可動基板が水平移動する場合に比べて、第１基板５０に対する回動錘４０の移動距離が大きくなる。したがって、エレクトレット膜５６と電極４４との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。

（渦巻きバネ）
図１に示すように、回動錘４０は、渦巻きバネ３０を介して支持されている。
渦巻きバネ３０は、細長い薄板を渦巻き状に湾曲させたバネ部３２と、バネ部３２の中心側の端部に接続された連結部材３１と、バネ部３２の外周側の端部に接続された固定部材３８と、を備えている。バネ部３２は、ステンレス、リン青銅、ニッケル合金、コバルト基合金などの金属材料や、シリコン等のセラミック材料、パリレン等の高分子材料等で形成することができる。本実施形態のバネ部３２は、コバルト基合金で形成されている。連結部材３１は、導電材料によりリング状に形成され、その中央孔に回動軸１１が圧入されている。一方、固定部材３８は、導電材料によりピン状に形成され、第２基板１５の内面に形成された固定孔１８に圧入されている。

このように、回動軸１１、連結部材３１、バネ部３２および固定部材３８がすべて導電材料で形成されているので、これらの各部材を介して、回動錘４０の電極４４を外部に電気的接続することができる。この構成によれば、特許文献２発明のように回動体の回動軸とその軸受機構との間の摺動部を介して回動体の電極を外部に電気的接続する場合と比べて、電気的接続の安定性を確保することができる。

渦巻きバネ３０は、回動錘４０の慣性モーメント（イナーシャモーメント）とともにバネ・マス系を構成するので、回動錘４０は共振し、第１基板５０に対して往復周期回動する。渦巻きバネ３０は自由長が長いのでねじりバネ定数が小さくなり、回動錘４０は周囲円弧部に重錘を備えているので慣性モーメントが大きくなるので、回動錘４０の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を効率よく利用することが可能になる。本実施形態では、回動錘４０の共振周波数が、人の歩行に伴う振動の周波数（１〜２Ｈｚ）に一致するように、渦巻きバネ３０のねじりバネ定数および／または回動錘４０の慣性モーメントが調整されている。これにより、発電装置１０を携帯した人が歩行すると、歩行振動が発電装置１０に入力されて、回動錘４０が共振回動する。

共振周波数より低周波数の振動が、本実施形態の発電装置１０に対して入力された場合の回動錘４０の回動振幅は、特許文献２発明のように渦巻きバネ３０を持たない発電装置に対して入力された場合の回動錘４０の回動振幅と、ほぼ同程度になる。これに対して、共振周波数の振動が、本実施形態の発電装置１０に対して入力された場合の回動錘４０の共振回動振幅は、特許文献２発明のように渦巻きバネ３０を持たない発電装置に対して入力された場合の回動錘４０の回動振幅よりも、極めて大きくなる。回動錘４０の回動振幅が大きくなることで、エレクトレット膜５６と電極４４との重なり面積の増減回数が多くなるので、発電装置１０の発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。

なお、発電装置を用いて蓄電装置を充電する場合、蓄電装置の充電効率には周波数特性がある。特許文献２発明の発電装置は、様々な周波数の電気エネルギーを出力するので、蓄電装置を効率よく充電することが困難である。これに対して、本実施形態に係る発電装置１０は、回動錘４０の共振回動により所定周波数の電気エネルギーを出力するので、その所定周波数に合せて蓄電装置（充電効率の周波数特性）を設計すれば、蓄電装置を効率よく充電することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態に係る発電装置について説明する。
図６は、第２実施形態に係る発電装置の説明図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。
図７は、第２実施形態に係る発電装置の回動錘の底面図である。

第１実施形態に係る発電装置では、図３（ａ）に示すように回動錘４０の本体部４２が扇板状に形成されていたが、第２実施形態に係る発電装置では、図７に示すように回動錘２４０の本体部２４２が円板状に形成されている点で相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図６に示すように、回動錘２４０は、第１基板５０に対向配置された円板状の本体部２４２と、本体部２４２の周囲の一部のみに設けられ本体部２４２より厚肉に形成された重錘２４８と、を備えている。本体部２４２および重錘２４８は一体形成されているが、別体形成した後に締結部材や接着剤等を用いて接続してもよい。

図７に示すように、円板状の本体部２４２の内面に電極２４４が形成されている。第２実施形態でも、回動錘２４０が導電材料で形成され、回動錘２４０の内面の一部のみに絶縁膜２４６が形成されて、回動錘２４０の内面における絶縁膜２４６の非形成部が電極２４４として機能する。
電極２４４は、回動錘２４０の径方向に連続形成され、回動錘２４０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。このような電極２４４のパターンが、円板状の本体部２４２の周方向全体に形成されている。すなわち電極２４４は、エレクトレット膜５６（図６参照）と同程度の領域に形成されている。

図６に示すように、第２実施形態では円板状の本体部２４２を備えているので、扇板状の本体部を備えた第１実施形態と比べて、電極２４４の形成面積を広く確保することができる。これにより、回動錘２４０が第１基板５０に対して相対回動したときに、エレクトレット膜５６と電極２４４との重なり面積の変化量が大きくなり、発電量が増大する。したがって、発電効率を向上させることができる。

図７に示すように、回動錘２４０は周囲に重錘２４８を備えているので、慣性モーメントが大きくなり、回動錘２４０の共振周波数を低くすることができる。これにより、外部振動として環境振動を効率よく利用することが可能になり、発電効率を向上させることができる。また、回動錘２４０は周囲の一部のみに重錘２４８を備えているので、外部振動の入力により回動錘２４０にモーメントが作用し、回動錘２４０を回動させることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態に係る発電装置について説明する。
図８は、第３実施形態に係る発電装置の説明図であり、図１のＡ−Ａ線に相当する部分における側面断面図である。
図９（ａ）は回動板の底面図であり、図９（ｂ）は第１基板の平面図である。
図１０は、第３実施形態に係る発電装置の回路図であり、図８のＣ−Ｃ線における断面図である。

第１実施形態に係る発電装置では、図２に示すように、回動錘（回動体）４０が電極４４として機能したが、第３実施形態に係る発電装置では、図８に示すように、回動錘に代えて錘体３４０および回動板（回動体）３６０を備え、回動板３６０に第１電極３６４が形成されている点で相違している。また第１実施形態に係る発電装置では、図４に示すように、第１基板５０に形成されたエレクトレット膜５６および回動錘４０に形成された電極４４のみで発電を行っていた。これに対して、第３実施形態に係る発電装置では、図１０に示すように、第１基板３５０に形成された第１エレクトレット膜３５６と、回動板３６０に形成された第１電極３６４とが、対向配置されて形成された第１発電部３７１と、第１基板３５０に形成された第２電極３５４と、回動板３６０に形成された第２エレクトレット膜３６６とが、対向配置されて形成された第２発電部３７２と、を備える点で相違している。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図８に示すように、錘体３４０は、第１実施形態の回動錘と同様の材料により半円形状に形成されている。錘体３４０の内面には、電極および絶縁膜が形成されていない。
一方、錘体３４０と第１基板３５０との間に、第１基板３５０に対向配置された状態で第１基板３５０に対して相対回動する回動板３６０を備えている。
回動板３６０は、シリコンなどのセラミック材料や、ガラスエポキシなどの樹脂材料等により形成することができる。本実施形態の回動板３６０は、ガラスエポキシにより円板状に形成されている。回動板３６０の中心部には貫通孔３６１が形成され、その貫通孔３６１に回動軸１１が圧入されている。

図８に示すように、回動板３６０の内面には第１電極３６４が形成されている。第１電極３６４は、導電性の金属材料で形成されている。図９（ａ）に示すように、第１電極３６４は、回動板３６０の径方向に連続形成され、回動板３６０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。なお、回動板３６０の中央貫通孔の周囲では、第１電極３６４が回動板３６０の周方向に連続形成されている。

図８に示すように、第１基板３５０の内面には第１集電材３５５および第１エレクトレット膜３５６が形成されている。図９（ｂ）に示すように、第１集電材３５５および第１エレクトレット膜３５６は、第１基板３５０の径方向に連続形成され、第１基板３５０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。なお、第１基板３５０の中央貫通孔の周囲では、第１集電材３５５および第１エレクトレット膜３５６が第１基板３５０の周方向に連続形成されている。

図８に示すように、第１基板３５０の内面には第２電極３５４が形成されている。第２電極３５４は、導電性の金属材料で形成されている。図９（ｂ）に示すように、第２電極３５４は、第１基板３５０の径方向に連続形成され、第１基板３５０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。上述した第１集電材３５５および第１エレクトレット膜３５６と、第２電極３５４とは、第１基板３５０の周方向に隙間３５２を置いて（電気的に絶縁された状態で）、交互に配置されている。なお、第１基板３５０の周縁部では、第２電極３５４が第１基板３５０の周方向に連続形成されている。

図８に示すように、回動板３６０の内面には第２集電材３６５および第２エレクトレット膜３６６が形成されている。図９（ａ）に示すように、第２集電材３６５および第２エレクトレット膜３６６は、回動板３６０の径方向に連続形成され、回動板３６０の周方向に所定ピッチで間欠形成されて、放射状にパターニングされている。上述した第１電極３６４と、第２集電材３６５および第２エレクトレット膜３６６とは、回動板３６０の周方向に隙間３６２を置いて（電気的に絶縁された状態で）、交互に配置されている。なお、回動板３６０の周縁部では、第２集電材３６５および第２エレクトレット膜３６６が回動板３６０の周方向に連続形成されている。

図１０に示すように、第１基板３５０に形成された第１エレクトレット膜３５６と、回動板３６０に形成された第１電極３６４とが対向配置されて、第１発電部３７１が形成されている。また、第１基板３５０に形成された第２電極３５４と、回動板３６０に形成された第２エレクトレット膜３６６とが対向配置されて、第２発電部３７２が形成されている。第１基板３５０に対して回動板３６０が相対回動すると、第１エレクトレット膜３５６と第１電極３６４との重なり面積が増減する。これに伴って、第１電極３６４の正電荷が増減するので、第１発電部３７１から電気エネルギーを取り出すことができる。また、第１基板３５０に対して回動板３６０が相対回動すると、第２電極３５４と第２エレクトレット膜３６６との重なり面積も増減する。これに伴って、第２電極３５４の正電荷が増減するので、第２発電部３７２からも電気エネルギーを取り出すことができる。

第３実施形態に係る発電装置によれば、第１基板３５０の内面および回動板３６０の内面の大部分を発電部として利用することができるので、発電効率を向上させることができる。

（クオーツ式腕時計）
実施形態に係る発電装置を備えた携帯型電気機器および携帯型時計の一例として、クオーツ式腕時計について説明する。
図１１は、クオーツ式腕時計のムーブメントの内部構造図である。クオーツ式腕時計１は、実施形態に係る発電装置１０と、水晶振動子２と、回路基板３と、コイル４と、ステータ５と、ロータ６と、歯車８とを備えている。そのうち回路基板３は、発振回路と、分周回路と、駆動回路とを備えている。

発電装置１０から水晶振動子２に電圧が印加されると、圧電効果により水晶振動子２は所定周波数の電気信号を出力する。この電気信号が回路基板３に入力されると、発振回路は所定周波数で安定して発振する。分周回路は、発振回路の出力信号をカウントして所定時間ごとにパルス信号を出力する。駆動回路は、パルス信号をトリガーとしてコイル４の駆動電流を交互に反転させる。この駆動電流によりコイル４は磁界を発生させ、ステータ５の両端からロータ６に磁界を印加して、永久磁石を備えたロータ６を回転させる。このロータ６の回転により歯車８が回転して、クオーツ式腕時計１が駆動される。

この構成によれば、発電効率に優れた発電装置１０を備えているので、電力供給の信頼性に優れたクオーツ式腕時計１を提供することができる。
すなわち、クオーツ式腕時計１を装着した人が歩行すると、歩行振動が発電装置１０に入力される。実施形態に係る発電装置１０では、回動錘の共振周波数が低くなるので、歩行振動により回動錘を共振回動させることができる。これにより、歩行振動を利用して効率的に発電することができるので、電力供給の信頼性に優れたクオーツ式腕時計１を提供することができる。なお、実施形態に係る発電装置１０を従来のボタン電池と併用すれば、ボタン電池を長持ちさせることができる。

図１２は、回動錘の中立位置の説明図である。なお図１２では、わかりやすくするため回動錘４０の大きさおよび配置を誇張している。
歩行者８０は前方および後方に腕８１を振りながら歩行するが、一般に前方への振り上げ角度は後方への振り上げ角度より大きくなる。腕時計１を装着した歩行者８０の腕８１が、上述した前後の振り上げ角度範囲の中間点８１ｍにあるとき、回動錘４０の重心が回動軸の鉛直下方となる回動錘４０の位置を、回動錘４０の中立位置に設定する。回動錘４０の中立位置とは、渦巻きバネからの復元力が作用していない状態における回動錘４０の位置である。腕時計１を左腕に装着する場合、中立位置にある回動錘４０の重心は、回動軸から見て２時付近の方向（３時方向から反時計回りに角度θの方向）に配置される。

歩行者８０は、中間点８１ｍから前後に同じ角度だけ腕を振り上げて歩行するので、回動錘４０は、中立位置から渦巻きバネが巻き上がる方向およびほどける方向に同じ角度だけ回動する。これにより、回動錘４０の回動振幅が大きくなり、エレクトレット膜と電極との重なり面積の変化量も大きくなる。したがって、発電効率を向上させることができる。

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な材料や層構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態におけるエレクトレット膜および電極は放射状にパターニングされていたが、基体に対して回動体が相対回動したときに重なり面積が増減するのであれば、他の形状にパターニングされていてもよい。

１…クオーツ式腕時計（携帯型電気機器、携帯型時計） １０，２１０，３１０…発電装置 １１…回動軸 ３０…渦巻きバネ（弾性体） ４０…回動錘（回動体） ４２，２４２…本体部 ４４，２４４…電極 ４６，２４６…絶縁膜 ４８，２４８…重錘 ５０，３５０…第１基板（基体） ５６…エレクトレット膜（電荷保持部材） １２０…耐振軸受 ３６０…回動板（回動体） ３５４…第２電極 ３５６…第１エレクトレット膜 ３６４…第１電極 ３６６…第２エレクトレット膜 ３７１…第１発電部 ３７２…第２発電部

Claims (8)

1. 基体と、
   前記基体に対向配置された状態で前記基体に対して相対回動する回動体と、
   前記基体および前記回動体のうち、一方の対向面に形成された電荷保持部材と、他方の対向面に形成された電極と、を備え、
   前記回動体は、弾性体を介して支持され、前記基体に対して往復周期回動し、
   前記弾性体は、渦巻きバネであり、
   前記渦巻きバネは、導電材料で形成され、
   前記回動体に形成された前記電荷保持部材または前記電極は、前記渦巻きバネを介して外部に電気的接続され、
   前記渦巻きバネは、一端部において前記回動体に対して固定されるとともに、他端部において前記基体に対して相対移動不能に固定され、
   前記基体に形成された前記電荷保持部材または前記電極は、前記基体に対して固定された導通部材を介して外部に対して電気的接続されることを特徴とする発電装置。
2. 前記回動体の回動軸は、耐振軸受を介して支持されていることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。
3. 前記回動体は、
   前記基体に対向配置された扇板状の本体部と、
   前記本体部の周囲円弧部に設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、
   を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
4. 前記回動体は、
   前記基体に対向配置された円板状の本体部と、
   前記本体部の周囲の一部のみに設けられ、前記本体部より厚肉に形成された重錘と、
   を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の発電装置。
5. 前記回動体は、導電材料で形成され、対向面の一部のみに絶縁膜が形成されて、前記絶縁膜の非形成部が前記電極として機能することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 前記基体に形成された第１の前記電荷保持部材と、前記回動体に形成された第１の前記電極とが、対向配置されて形成された第１発電部と、
   前記基体に形成された第２の前記電極と、前記回動体に形成された第２の前記電荷保持部材とが、対向配置されて形成された第２発電部と、
   を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発電装置。
7. 請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする携帯型電気機器。
8. 請求項１に記載の発電装置を備えたことを特徴とする携帯型時計。

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